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        降壓型DC-DC電路的工作原理

        來源:鞍山核心電子技術有限公司 作者:核心電子

          降壓電路是BUCK電路,開關S閉合的時候,VD二極管承受負壓關斷,電感充電,電流正向流動,電流值呈現指數上升趨勢。開關S斷開的時候,VD二極管起續流作用,電感開始放電,電流逐漸下降,通過負載和二極管回到電感另外一端,短暫供電。這樣電壓就能降低。實際使用的時候,S開關是通過MOSFE或者IGBT實現的,輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比。

        圖1 降壓變換器原理圖

          開關電源總的來分有隔離型和非隔離型電路。所謂非隔離型電路是根據電路形式的不同,可以分為降壓型buck電路、升壓Boost型電路、升降壓Buck-Boost型電路、Cuk型丘克電路、Sepic型電路、Zeta型電路。我們這里主要分析降壓型DC-DC轉換器的工作原理,Buck電路如圖1所示。圖中功率MOSFET為開關調整元件,它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件;開關截止時,二極管VD可保持輸出電流連續,所以通常稱為續流二極管?刂齐娐份敵鲂盘柺归_關管VT導通時,濾波電感L中的電流逐漸增加,因此貯能也逐漸增大,電容器C開始充電。忽略MOSFET的導通壓降,MOSFET源極電壓應為Uin。

          基于TL494單端降壓DC-DC轉換器的設計,采用電流連續模式(CCM)工作。開關電源工作在CCM時,一個周期內,開關管導通時間為DT,Ii的上升量為[(Uin-Uo)*DT]/L;開關關斷時間為(1-D)T,則Ii的下降量為[Uo*(1-D)T]/L。在穩定狀態下,由上表面非隔離型電路推導的兩個工作原理得IL在每個周期的末尾和開始必須相等,因此:

          于是占空比D與Uin、Uo的關系如下:


          CMM降壓型開關電源的主要波形。負載電流Io的關系可按每個周期下,IL向負載傳送的電荷與Io在同時間下得到的電荷相等。

          DC/DC轉換器電路的各種特性(效率、紋波、負載瞬態響應等)可根據外設元件的變更而變更,盡量在各種制約條件下,設計出最接近要求規格的DC/DC轉換器電路。

          1、DC/DC轉換的基本工作原理

          最基本的基本型DC/DC轉換器電路為升壓和降壓電路。

          1)、升壓電路

          FET為ON時的電路圖

          在FET為ON的時間里在L積蓄電流能。虛線表示的電流路徑雖是微小的漏電流,但會使輕負載的效率變差。

          FET為OFF時的電路圖

          在FET為OFF時,L要保持OFF前的電流值,相當于在輸入回路增加了一個“電源”。由于線圈的左端被強制性固定于VIN,因此輸出VOUT的電壓要大于VIN,即升壓電路原理。

          由此,FET的ON時間越長(FET的觸發占空比D越大),L里積蓄的電流能越大,越能獲得電源功率,于是升壓就越高。但是,FET的ON時間太長的話,給輸出側供電的時間就極為短暫,FET為ON時的損失也就增大,變換效率變差。因此,通常要限制占空比的最大值,不超過適宜的占空比D。

          2)、降壓電路

          FET為ON時的電路圖

          在FET為ON的時間里,L積蓄電流能的同時為輸出供電。虛線表示的電流路徑雖是微小的漏電流,但會使輕負載的效率變差。

          FET為OFF時的電路圖

          在FET為OFF時,L要保持OFF前的電流值,使SBD為ON。此時,由于線圈的左端被強制性地降到0V以下,VOUT的電壓下降,即降壓電路原理。

          由此,FET的ON時間長L里積蓄的電流能越大,越能獲得大功率電源,降壓的幅度越小。

          降壓時,由于FET為ON時也要給輸出供電,所以不需要限制占空比的最大值。

          2、DC/DC轉換電路的設計要點

          (1)穩定工作(=不會因異常振動等誤動作、燒損、過電壓而損壞)

          (2)效率大

          (3)輸出紋波小

          (4)負載瞬態響應好

          這些設計指標可通過變更DC/DC轉換器IC和外設元件得到某種程度的改善。

          3、開關頻率的選擇

          DC/DC轉換器IC具備固有的開關頻率,頻率的不同會對各種特性產生影響。

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