降压DC/DC电压转换器的工作原理

本文将详细分析降压 DC/DC 电压转换器的工作原理。使用 SPICE 仿真，我们将研究输出电压稳定、电压纹波以及电感器和负载电流。

之前提供了开关模式电压调节的高级概念概述。电路一点通想在理论处理之后使用 LTSpice （ADI旗下一款免费的SPICE类仿真软件）来彻底检查电流和电压行为，以模拟开关模式降压转换器。

降压转换器设计

我们将使用的电路如图 1 的原理图所示。这称为降压或降压转换器。

图 1. Buck（降压）转换器仿真原理图

降压或降压转换器可用于完成电源管理电路的常见任务：将标准系统级电压（例如 12 或 28 V）降低至适合低功耗的 5 或 3.3 V 电源轨。电压电子设备。

说“帮助”是因为图 1 的拓扑只是开关模式稳压器的功率级。它不是一个完整的调节器，因为它缺乏反馈，因此无法锁定指定的输出电压。

降压转换器原理图和仿真详细信息

在我们深入模拟和分析之前，让我们先讨论一下这个 LTspice 原理图的一些不太容易解释的方面：

电源开关型号

开关频率和占空比

在输入端使用理想电压源的含义之一

电感和电容值的选择

电源开关模型

物理转换器电路中的功率开关通常是场效应晶体管。在此模拟电路中，使用电压控制开关，其规格由 .model MYSW SW(...) 语句确定。开关特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通态电阻

1 MΩ 断态电阻

阈值电压位于 VSWITCH 生成的逻辑低 (0 V) 和逻辑高 (5 V) 电平的中间。

开关频率和占空比

VSWITCH 产生用于打开和关闭开关的矩形波。使用 .param 语句，定义了各种参数，使我能够轻松控制关键切换特性。我指定振荡器频率和占空比，这是我的大脑直观思考电路行为所需的值。这些用于计算周期和时间，这是 LTspice 的 PULSE 函数所需的值。

在输入端使用理想电压源进行仿真

输出电容器是转换器操作不可或缺的一部分，因此在模拟电路和物理电路中都是必需的。物理电路还需要一个输入电容器，其关键目的是降低源阻抗，从而使转换器能够更平稳地从输入电源汲取强烈的突发电流。由于 SPICE 实现中的输入电源具有零串联阻抗，因此不需要输入电容器。

电感和电容值的选择

图 1 中所示的电感 (100 µH) 和电容 (1 µF) 值是我使用本 TI 应用笔记中的公式计算得出的合理起点。我们将在以后的文章中探讨电容器和电感器值的影响。

降压转换器仿真

我们首先运行一个占空比为 50%、负载电阻为 1 kΩ 的仿真。图 2 是输出电压随时间变化的图。请注意，输出电压需要一些时间才能达到其稳态值。

图 2.降压转换器输出电压稳定。

开关模式转换器，包括我们称为电荷泵的基于电容器的开关器，具有与输出电容器充电所需的时间相对应的启动延迟。这种情况几乎发生在任何电路中，因为某处总有一些电容需要充电。

然而，对于开关来说，启动时间可能会相当长，因为充电电流受到开关动作的限制，并且要充电的电容量相对较大。

占空比对降压转换器输出电压的影响

如图2所示，输入电压为12V时，稳态输出电压约为10.5V。占空比为50%，那么为什么输出电压远高于输入电压的50%呢？

滤波电压的幅度直接对应于 PWM 波形的占空比。

图 3.直流电压电平与 PWM 占空比的函数关系。

然而，该图仅描述了对 PWM 波形进行滤波的效果。而在开关模式转换器中，PWM 占空比只是影响 V IN与 V OUT比率的众多因素之一。可以将占空比保持在 50%，并通过修改电感值、负载电阻值或开关频率来显着改变输出电压。

这个讨论很好地提醒我们，占空比并不是生成特定的固定输出电压的一种手段。相反，开关模式稳压器通过调整占空比来实现稳定的输出电压，作为负反馈实现的闭环控制方案的一部分。

因此，我们不能仅将占空比设置为 50%，并假设 V OUT = 6 V，V IN = 12 V。无论如何，我们都不想围绕恒定输入构建稳压器电压。我们更愿意设计一种能够抵抗意外输入变化并易于集成到可能具有不同输入电压的新应用中的稳压器。

在结束本节之前，电路一点通想简要提及 PWM 并不是执行开关模式调节的唯一方法。尽管不太常见，但脉冲频率调制 (PFM) 在某些应用中是首选，因为它可以在轻负载条件下提供更高的效率。

降压转换器电感电流

我们将以图 4 的图来结束，该图显示了电感器电流相对于开关控制电压和输出电流的关系。

图 4.降压转换器开关电压（顶部）、电感器电流（绿色底部）和负载电流（红色底部）。

开关控制电压图表达了开关的状态：当开关控制信号为逻辑低电平时开关打开，当信号为逻辑高电平时开关关闭。根据开关模式调节的基本原理，开关始终被驱动为完全导通或完全关断，这意味着它要么自由通过电流，要么完全阻止电流。

未经修改，这种开/关电流无法正确为电子电路供电，但电感器电流图显示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效应。通过电感器的电流不能瞬时变化，降压转换器的拓扑允许电感器将开/关电流转换为斜坡上升/斜坡下降电流。如光标虚线所示，当开关导通时，电感器电流开始斜坡上升，当开关关闭时，电感器电流开始斜坡下降。

对于电源目的而言，仅电感器电流就会产生太多纹波。然而，电感器与输出电容器一起工作，提供足够的滤波，以实现您在图中看到的稳定、低纹波负载电流。请注意，负载电流是电感电流的平均值。

Buck转换器的应用

降压转换器通常用于电源管理系统，以生成现代电子产品中使用的较低直流电压。我们使用 LTspice 研究了开关模式直流电压转换器操作的一些关键方面。

希望了解这个简化原理图的基本操作将有助于您的电路设计工作。

审核编辑：汤梓红