BUCK基本知识

一、直流—直流变换电路概述1、直流—直流变换电路及功能直流－直流（DC－DC）变换电路是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。·直流电幅值变换·直流电极性变换·直流电路阻抗变换·有源滤波以下详细介绍降压式变换电路（Buck电路）一、直流—直流变换电路概述2、基本概念（1）占空比的定义：开关接通的占空比定义为D，其中ton为开关导通时间，TS为开关周期。（2）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。on/SDtTdUL()DitL()utL()ito()utCRDdULL()itL()utC()itCRo()utdULL()itL()utC()ito()utCR开关导通时等效电路开关关断时等效电路基本电路结构二、降压式变换电路（Buck电路）1.BUCK电路基本结构2.等效的电路模型及基本规律（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t)的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。dULs()utL()itL()utC()ito()utC12RS二、降压式变换电路（Buck电路）（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小，相对于电容上输出的直流电压Uo有：电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。omaxrippleUu二、降压式变换电路（Buck电路）三、降压式变换电路（Buck电路）（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。0TΨu0)(iLΨ二、降压式变换电路（Buck电路）3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析开关导通时等效电路开关关断时等效电路BUCK电路结构二、降压式变换电路（Buck电路）a、晶体管导通状态（t0tt1=DT）VD关断，依据等效电路拓扑，有：由于电路工作频率很高，一个周期内ud和uo基本维持不变，可以视为恒定值，则（ud-uo）为常数，电流变化为线性，波形如图4-2，有：（io恒定，iC与iL同斜率）1od)(tLUUILLiiVTRuiiiiLLooCtiLUUuddLodL0VTuDTILtIILUUuL12odL二、降压式变换电路（Buck电路）b、二极管VD导通模式（t1tt2=T）晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有：同样，由于uo视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图4-2，有：tiLuuLLddo12oddttILtiLuLLLttuIL)(12o0VTiRuiiiiLLooC（io恒定，iC与iL同斜率）dVTUu二、降压式变换电路（Buck电路）4.电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)，且，晶体管导通时，晶体管关断时，则us(t)的直流分量为：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为占空比，Ud为输入直流电压，Uo输出直流电压0maxrippleUud)(Utus0)(tusdoffdono0DUTtUTtUooindIUIUoinDII二、降压式变换电路（Buck电路）5.电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电压脉动分析考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流波动值相等，依据前面的分析，晶体管导通时有：考虑到输出电压脉动很小，有iLiC，且有一周期内电容充放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰值为（充放电波形如图4－3）：fLDUDDTLDUtLUUILdd1od)1()1()(fITIQLL82121212dc8)1(2LCfDDUCQuU二、降压式变换电路（Buck电路）二、降压式变换电路（Buck电路）电容充放电波形六、电感电流断续工作模式（DCM模式）简介II21o临界连续导通模式时不连续导通模式时对于CCM状态对于DCM状态II21o二、降压式变换电路（Buck电路）思考已知：输入电压12V，输出电压5V，输出纹波50mV，输出电流最大3A，最小100mA，要求电路工作于电流连续状态，如何设计电路参数？二、降压式变换电路（Buck电路）设计方法考虑：（1）由，计算LC的关系（2）最小输出电流与的关系，见图中波形，由于电感电流连续，有，计算L的关系式。（3）由输入输出电压关系，计算D（4）由求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算电流有效值，依此选择MOS管的电流。（5）MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。CUU0LImin21oIIVTMAXLMAXII二、降压式变换电路（Buck电路）纹波和噪声产生的原因开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。三、DC-DC的纹波和噪音纹波和噪声的测量方法利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图所示。纹波的频率与开关管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。三、DC-DC的纹波和噪音纹波和噪声的测量方法用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。三、DC-DC的纹波和噪音纹波和噪声的测量方法从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。测纹波和噪声电压的要求如下：●要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受EMI的影响；●要防止负载电路中可能产生的EMI干扰；●对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。为满足第1条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线（消除共模噪声干扰）或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第2点，负载应采用阻性假负载。三、DC-DC的纹波和噪音纹波和噪声的测量方法在测量纹波和噪声这一性能指标时，经常有这样的情况发生，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致。三、DC-DC的纹波和噪音几种测量装置1.双绞线测量装置双绞线测量装置如图3所示。采用300mm（12英寸）长、#16AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连接，在+OUT与-OUT之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TμF电解电容（钽电容）后输入带宽为50MHz（有的企业标准为20MHz）的示波器。在测量点连接时，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。三、DC-DC的纹波和噪音2.平行线测量装置平行线测量装置如图下所示。图中，C1是多层陶瓷电容（MLCC），容量为1μF，C2是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI干扰。三、DC-DC的纹波和噪音3.专用示波器探头下图所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极（GND），接触要可靠。三、DC-DC的纹波和噪音这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如下图所示。三、DC-DC的纹波和噪音4.同轴电缆测量装置这里介绍两种同轴电缆测量装置。下图是在被测电源的输出端接R、C电路后经输入同轴电缆（50Ω）后接示波器的AC输入端；下图是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端串接1个0.68μF陶瓷电容及1个47Ω/1w碳膜电阻后接入示波器。T形BNC连接器和电容电阻的连接如图下图所示。三、DC-DC的纹波和噪音不正确与正确测量的比较下图是用AAT1121芯片组成的降压式DC/DC转换器电路及测量正确和不正确的波形图。若采用普通的示波器探头来测量，由于地线与探头组成的回路面积太大（由剖面线组成的面积），它相当于一根“天线”，极易受到EMI的干扰，其输出的纹波和噪声电压相当大（见图中右面的示波器波形图中绿色的纹波和噪声波形）。若采用专用的测量探头（如图所示），它的地线极短，探头与地线组成回路面积较小，受到EMI干扰极小，其输出纹波和噪声波形如图右面的红色线所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不能用的。三、DC-DC的纹波和噪音