Buck电路工作原理详解

BUCK电路工作原理分析目录:1.BUCK电路原理图2.BUCK电路工作原理3.Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM4.BUCK电路外围参数与系统工作模式的关系5.BUCK电路仿真验证ThefuturepowersolutionsBuck电路原理分析Q1D1C1L1R1Vin+-Vout+-一、Buck电路原理图Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路，输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的，输出电流为连续的。图一Buck电路原理分析二、Buck电路工作原理1、基本工作原理分析当开关管Q1驱动为高电平时，开关管导通，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载R1提供能量。等效电路如图二图二L1R1Vin+-Vout+-+-ReturnToPage6LNBuck电路原理分析二、Buck电路工作原理1、基本工作原理分析当开关管Q1驱动为低电平时，开关管关断，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，等效电路如图三D1L1R1Vout+--+图三ReturnToPage6Buck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM1、CCMMode：关键点原件波形见图四图四ReturnToPage7Buck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM1、CCMMode：开关管Q1导通时，根据KVL定律：0VdiVOLindtL即VVioinLtL→tLVVioinL为Q管导通时间，所以，,T为工作周期，D为占空比：tDTtTDLVVioinL①开关管Q1关断时，同理根据KVL定律：忽略二极管D的正向压降，有VdioLdtL即②DTLVioL1①，可以得出：＝②DVVino伏秒积平衡Buck电路原理分析1、CCMMode：三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM2maxminIIILLoTS所以，平均电流为电流的平均值。参照图四电感电流波形，一个周期内面积为TDTDTSIIIIIILLLLLL2122maxminmaxminmaxmin负载电流IO与电感电流的关系，在一个周期内进行分析，负载电流即为在一个周期内电流的平均值，参考图四。电流的平均值在数学上的表达式为：TdttiITAV0，即在一个周期内电流函数曲线与时间轴所围成的面积除以周期，Buck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM2、BCMMode：关键点原件波形见图五图五Buck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM2、BCMMode：参照图四与图五电感电流的波形，可以得知电感最小电流逐渐减小到零时，工作模式也逐渐从CCM进入BCM。根据伏秒积平衡：in*1oOTDTDVVVVVoinD同样，在一个周期进行分析，maxmax22LLoTTIIIBuck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM3、DCMMode：关键点原件波形见图六图六Buck电路原理分析三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM3、DCMMode：由图六可知，电路系统工作在DCM模式下，需要满足两个条件，一、电感充磁开始以及消磁结束时流经电感的电流为零；二、电感消磁时间小于开关管关断时间。根据伏秒积平衡有：in*doOTDVVVTonoinondTVVTT同样，在一个周期对电感电流进行分析：max*2LdoTDITITBuck电路原理分析四、外为参数对系统工作模式的影响：图六Buck电路原理分析四、外为参数与系统工作模式的关系：参考图六，在一个周期对电感电流进行分析：minmaxminmax22LLLLdoTDTTIIIITIminmax2oLLdTTDIIIT即LinodLVVdti当Q管导通时maxminLLinoLTDIIVVmaxmininoLLTDVVIIL即minmin2inooLLdTDVVTTDIIITL2222minmin222oLinodLinoTLTDLVVIITDTDTLTDTDVVIBuck电路原理分析四、外为参数与系统工作模式的关系：1、如果工作在DCM模式，则令ILmin=0，TdT(1-D),即22222(1)oinoinoTLVVITDTDTDTDTDVV2inooTDVVLI2、如果工作在BCM模式，则令ILmin=0，Td=T(1-D),即22222(1)oinoinoTLVVITDTDTDTDTDVV2inooTDVVLI3、如果工作在CCM模式，则令ILmin0，Td=T(1-D),即min02inooLdTDTVVIITDLT2inooTDVVLIBuck电路原理分析五、BUCK电路仿真验证：图七Buck电路原理分析上述电路中基本参数设置：驱动波形：V=14V,f=20KHz,D=50%；输入电压：Vin=10Vdc；储能电感：L=80uH1、BCM模式仿真验证：根据电路系统工作在BCM模式下的条件,进行理论计算，(105)0.580,0.78202oouHAIKHzI因此，电阻可定义为56.410.78ooVRI通过上述参数定义以及计算，可以得到相关参数的理论值：maxmin100.55,20.7821.56,0LoLoinDVAAVVIII参照图八，可以得出仿真结果，maxmin4.867,1548,10.729LLoVmAmAVIIBuck电路原理分析蓝色：电感电流红色：电感电压绿色：开关驱动棕色：输出电压蓝色：电感电流红色：电感电压绿色：开关驱动棕色：输出电压图八Buck电路原理分析2、CCM模式仿真验证：在上述BCM分析的基础上，得出储能电感的电感量80uH为临界点，由系统工作在CCM的条件，可以将储能电感电感量设置为120uH,理论计算：maxmin100.55;220.781.56LLooinDVAVVIII参照图九，可以得出仿真结果，maxmin4.8034.803,1.2880.1781.466226.41LLooVVAAAVIIIBuck电路原理分析蓝色：电感电流红色：电感电压绿色：开关驱动棕色：输出电压图九Buck电路原理分析3、DCM模式仿真验证：在上述BCM分析的基础上，得出储能电感的电感量80uH为临界点，由系统工作在DCM的条件，可以将储能电感电感量设置为40uH。重点验证输入输出电压关系以及输出平均电流关系。oninondTVVoTTmax*2LdoTDITIT由图十的仿真波形可以得出，消磁时间Td=16.311uS,ILmax=2.353A,Vo=6.120V500.5106.056.120500.516.311oninoonduSVVVuSuSTVVTT6.1202.353(500.516.311)0.9550.9726.41250ooVAuSuSVAAIRuS蓝色：电感电流红色：电感电压绿色：开关驱动棕色：输出电压图十Buck电路原理分析Boost电路Buck-Boost电路Boost电路Buck-Boost电路