BUCK电路学习笔记

Buck电路学习笔记

Buck电路基本框图：

图1.1

Buck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TON。

A: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），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1.2

B: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1.3

Buck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I/t(VdcVo)/L,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

（Vo1）/L(Vo1)/L ， 续流二极管的电流变二极管D和电感L的电流下降斜率为 I/t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：

e1me1

t1Tt1/()()mEM/ET/T 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1000uH。

Buck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)导通内阻减少损耗。

RDS(ON)（Static Drain-Source On-State Resistance ）尽可能小，

(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，

1IVo（VdcVo）IONII*TONTON*TIL,所以2;而tVdc可知其峰值电流等于 ，又因为tMOSFET的工作峰值电流为

11(VdcVo)VoIONIION***T22LVdc

RDS(ON)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Vdc决定的；

（2）最大整流电流（平均值）IO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

11(VdcVo)VoIONIION***T22LVdc

（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。

（VdcVo)决定的； （1）耐压值由BUCK电路的

（2）容值根据设计要求的纹波电压Vrr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RO,一

个电感LO和一个理想电容CO串联而成的。如下图。RO称为等效串联电阻（ESR），LO称为等效串联电感（ESL），因此输出电压的纹波由理想电容CO，等效串联电阻RO（ESR），等效串联电感（ESL）LO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CO，等效串联电阻RO（ESR）决定。

对于一般的电解电容而言其

ROCO*值近似为一常数值，约为

50*10F6。

因此要计算输出电容CO，就要根据BUCK电路要求纹波电压Vrr计算出等效串联电阻

RO

。

VrrI,I的算法与前面相似。

RO

50*106COFRO然后根据，就可以计算出输出电容的容值。