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buck变换器的工作原理和降压原理等资料详细概述

2020年11月07日 11:30 次阅读

对于变换器,大家自然较为熟悉。为增进大家对变换器的认识,本文将对buck变换器进行全面讲解。本文中,你将学到buck变换器的工作原理、buck变换器的降压原理、buck变换器的工作过程以及如何进行buck变换器设计。如果你对变换器具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

一、Buck变换器三种称法

1.降压变换器:输出电压小于输入电压。

2.串联开关稳压电源:单刀双掷开关(晶体管)串联于输入与输出之间。

3.三端开关型降压稳压电源:

1)输入与输出的一根线是公用的。

2)输出电压小于输入电压。

二、Buck变换器工作原理结构图

图1.Buck变换器的基本原理图

由上图可知,Buck变换器主要包括:开关元件M1,二极管D1,电感L1,电容C1和反馈环路。而一般的反馈环路由四部分组成:采样网络,误差放大器(ErrorAmplifier,E/A),脉宽调制器(PulseWidthModulaTIon,PWM)和驱动电路

三、Buck变换器工作过程分析

图2.Buck变换器的工作过程

为了便于对Buck变换器基本工作原理的分析,我们首先作以下几点合理的假设:

1)开关元件M1和二极管D1都是理想元件。它们可以快速的导通和关断,且导通时压降为零,关断时漏电流为零;

2)电容和电感同样是理想元件。电感工作在线性区而未饱和时,寄生电阻等于零。电容的等效串联电阻(EquivalentSeriesResistance,ESR)和等效串联电感(EquivalentSeriesinductance,ESL)等于零;

3)输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小,可以忽略不计。

4)采样网络R1和R2的阻抗很大,从而使得流经它们的电流可以忽略不计。

在以上假设的基础上,下面我们对Buck变换器的工作过程进行分析。

如图1所示,当开关元件M1导通时,电压V1与输出电压Vdc相等,晶体管D1处于反向截至状态,电流01=DI。电流11LMII=流经电感L1,电流线性增加。经过电容C1滤波后,产生输出电流OI和输出电压OV。采样网络R1和R2对输出电压OV进行采样得到电压信号SV,并与参考电压refV比较放大得到信号。如图1(a)所示,信号eaV和线性上升的三角波信号trV比较。当eatrVV》时,控制信号WMV和GV跳变为低,开关元件M1截至。此时,电感L1为了保持其电流1LI不变,电感L1中的磁场将改变电感L1两端的电压极性。这时二极管D1承受正向偏压,并有电流1DI流过,故称D1为续流二极管。若OLII《1时,电容C1处于放电状态,有利于输出电流OI和输出电压OV保持恒定。开关元件截至的状态一直保持到下一个周期的开始,当又一次满足条件treaVV《时,开关元件M1再次导通,重复上面的过程。

由分析可得,Buck变换器的工作过程可分为两部分:

1)开关(晶体管)导通:二极管D1截止;电感电流线性增加并储能;电容充电储能;输出电压Vo。

2)开关(晶体管)关断:二极管D1导通;电感释放能量;电容放电;输出Vo。

四、Buck变换器的两种工作模式

按电感电流1LI在每个周期开始时是否从零开始,Buck变换器的工作模式可以分为电感电流连续工作模式(ConTInuousConducTIonMode,CCM)和电感电流不连续工作模式(DisconTInuousConductionMode,DCM)两种。两种工作模式的主要波形图如图2.4所示。下面分别对这两种工作模式进行分析。

图4Buck变换器的主要工作波形图

五、buck变换器设计

BUCK变换器在一些大功率的开关电源电路设计中,是非常常见的设计元件之一,其本身具有高转化率、高适应性等优势,能够为工程师的产品设计研发带来极大帮助。本文教大家自制buck变换器。

(一)控制回路的设计

控制回路的原理图如下图所示:

控制回路的原理图

(二)主回路的设计

主回路电路图如下图所示:

主回路电路图

(三)主回路参数的计算

输入电压选定为20V。因为输入Vs=20V,输出V0=10V,所以D=1/2。由于开关频率是30KHz。

由于瞬时电流(最大电流)不能超过0.5A,所以根据

可以得到L》=3.3*10^3H,所以选取电感681又由于

得R》=40,所以选取电阻为47Ω。

要求电流连续,所以

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