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BUCK电路学习笔记.doc

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  • 上传时间:2022-01-01
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    • Buck电路学习笔记Buck电路基本框图:图1.1Buck电路的控制方式:(1):脉冲调制型:保持开关周期T不变,调节开关导通时刻ton,(PWM: Pulse Width Modulation)最常用,最容易实现(2):频率调制(调频型):保持开关导通时间ton不变,改变开关周期T.(3):混合调制:同时改变ton和T,使得占空比ton/T发生改变Buck电路基本工作方式MOS管Q和直流输入电压Vdc串联,通过Q的硬开通和硬关断,在VD处形成方波电压采用恒频控制方式,占空比可调,Q导通时间为TONA:Q导通时,VD点电压也应为直流输入电压(设Q导通,压降为0),电流流经串接电感L,流出输出端此时电感储能,并向电容C充电等效模型如下图:图1.2B:Q关断时,电感L产生反电动势,使得VD点电压,迅速下降到0,便变为负值直至二极管D(因其续流作用而被称为“续流二极管”)被导通,并钳位于-0.8V通过二极管续流,释放能量,电容C向负载供电等效模型如下图:图1.3Buck电路波形分析:图1.4 Buck电路工作波形图图1.4(a)为MOSFET的PWM驱动波形PWM,占空比可调当Q导通时,VD点电压也应为直流输入电压Vdc(设Q导通,压降为0),当Q关断时,电感L产生反电动势,使得VD点电压,迅速下降到0,便变为负值直至二极管D被导通,并钳位于-0.8V。

      此时假设二极管的导通压降为0V,则VD的波形如图(b)所示当Q导通时,VD点电压直流输入电压Vdc,由于VO电压低于Vdc,电感L承受的电压为(Vdc-VO),因为Vdc,VO电压均为恒定值,所以电感两端的电压保持恒定,因此流经电感的电流线性上升其斜率为,L为电感量,此时电感内部的电流变化如图1.4(e)所示的上升斜坡,而MOSFET内部的电流如图1.4(c)所示当Q关断时,VD点电压,迅速下降到0V(假设二极管的导通压降为0V),而电感的电流不能突变,电感产生反电动势以维持原来建立的电流,若未接续流二极管D,则VD点电压会变得很负以保持电感上的电流方向不变,但是此时续流二极管导通,使得电感前端的电压比地电位低于一个二极管的导通压降此时电感上的极性反相,使得流经续流二极管D和电感L的电流线性下降,直到MOSFET关断结束时,回到电流初始值Ia因为VD点电压被钳位于1V(二极管的导通压降近似为1V),VO电压均为恒定值不变,所以电感L承受的电压为(VO+1)V,续流二极管D和电感L的电流下降斜率为 , 续流二极管的电流变化如图1.4(d),电感的电流如图1.4(e)根据基尔霍夫电流电流定律KCL可知:电感的电流等于MOSFET的电流,续流二极管D的电流之和,即IL=IQ+ID。

      根据图1.4(c)、(d)、(e)便可以看出Buck电路的三种工作模式:(1) 连续工作模式(2) 临界工作模式(3) 不连续工作模式判别条件为:电流连续的条件为:其中, , BUCK电路PSIM开环仿真:(1) PWM波形的产生方式:PWM波产生控制框图单极性调制的方式产生PWM波的波形图生成PWM波的原理:电压比较器的同相输入端(“+”端) 为一个基准电压,反相输入端为一个周期为T的锯齿波,当同相输入端电压>锯齿波的电压,输出端为高电平,电压幅值取决于电压比较器的供电电压,当同相输入端电压<锯齿波的电压,输出端为低电平在做闭环反馈时,只需要通过反馈环节不断的修改基准电压便可以产生可调的PWM波在进行PWM时,常用的方法有单极性调制和双极性调制两种方法其中调制波最常用的是正弦交流和直流电压源Buck电路主电路(连续工作模式)连续工作模式工作波形输入输出关系如图看见,输出电压大约为输入的一般,但是输出电压在启动时有较大的超调,且纹波较大我们采用增大输出滤波电容的方式抑制输出纹波,当输出电容改为220uF时,输出波形如下图:纹波明显有所减小过冲依然存在我们尝试着加大电感来抑制过冲如下图我们把电感改为1000uH时,并没有有效的抑制过冲,并且调节时间被加大了,所以我觉得更为理想的方法应该是采用闭环控制。

      修改电感为1000uHBuck电路闭环仿真图输出电压作为反馈和给定电压作对比,对偏差进行PI控制,为了防止积分饱和,对积分输出限幅,作为调制信号输入比较器,从而达到调节PWM占空比的作用闭环仿真后输出电压波形较为平滑,且几乎没有超调,关于闭环控制的响应时间,超调量等相关参数可以根据实际所需调节比例和微分参数BUCK电路设计参数计算(1)开关管的选取:以MOSFET为例进行参数的计算主要参数:(1)最大漏极源极电压(Drain-Source Voltage) (2)连续漏极电流(Continuous Drain Current ) (3)导通内阻(Static Drain-Source On-State Resistance )尽可能小,减少损耗1)最大漏极源极电压由BUCK电路的直流输入电压 决定的;(2)连续漏极电流由MOSFET的工作峰值电流决定BUCK电路工作于连续工作模式下,其 负载电流ION必须大于等于IQ峰峰值的一半,可知其峰值电流等于 ;而,又因为,所以MOSFET的工作峰值电流为导通内阻是取决于选取的MOSFET本身,与BUCK电路无关2):续流二极管的选取主要参数:(1)反向重复峰值电压Vrrm(Repetitive peak reverse voltage); (2)最大整流电流(平均值) (Maximum average forward rectified current ) (3)反向恢复时间Trr(Reverse Recovery Time)(1)反向重复峰值电压Vrrm由BUCK电路的直流输入电压决定的;(2)最大整流电流(平均值)由续流二极管的工作峰值电流决定,续流二极管的峰值电流和MOSFET的工作峰值电流一致,计算方法一致(3)反向恢复时间Trr由续流二极管的工作频率f决定;(3)输出电容的选取主要参数:(1)耐压值;(2)容值。

      1)耐压值由BUCK电路的决定的;(2)容值根据设计要求的纹波电压来确定BUCK电路实物设计中的输出电容,并非理想电容它可以等效为一个寄生电阻,一个电感和一个理想电容串联而成的称为等效串联电阻(ESR),称为等效串联电感(ESL),因此输出电压的纹波由理想电容,等效串联电阻(ESR),等效串联电感(ESL)三者一起决定的对于低频电流,等效串联电感(ESL)可以忽略不计,输出纹波主要有理想电容,等效串联电阻(ESR)决定对于一般的电解电容而言其*值近似为一常数值,约为因此要计算输出电容,就要根据BUCK电路要求纹波电压计算出等效串联电阻的算法与前面相似然后根据,就可以计算出输出电容的容值。

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