降压转换器仿真的电源设计方案分析

降压转换器

降压或降压转换器是一种广泛使用的DC / DC开关稳压器。制造商通过其控制器提供降压集成电路。降压DC / DC转换器是一种能够将输入电压转换为低于输入电压（降压，V OUT 

VL1（on）= V IN – V OUT

当M1处于“关闭”状态且二极管导通时，在第一阶段，电感上的电压为：

VL1（关）= –V OUT

电气方案

让我们看一下图1中的接线图。它是一个具有以下特性的降压转换器：

• 电源：50 VDC
• 开关元件：频率为20 kHz的IRF530
• 电感：400 uH
• 电容：100 µF
• 负载：30Ω

图1：降压转换器的电气原理图

模拟

让我们开始进行降压转换器的研究，首先进行观察以下参数的仿真：

• 电路的输入电压
• 负载上的输出电压
• 允许切换状态的脉冲平方电压

模拟持续2 ms，因此您可以观察40个振荡周期。在图2中，我们可以看到三个轨迹：

绿色迹线显示50 V电路电源电压（VCC）。

青色迹线显示了45V的脉冲串，可以打开和关闭MOSFET（Vgate）。

红色轨迹显示了30Ω负载（V OUT）上的电路输出端的20V电压。

图2：在此仿真图中，我们可以观察到输入电压，输出电压和开关信号。

根据此电路中使用的组件的电流值，我们可以注意到一些情况：

20 VDC的输出信号在经过1 ms的瞬变后会稳定下来，在0.2 ms时出现35 VDC的峰值（图3a）。设计人员必须评估此初始电压升高，以避免损坏器件。

输出信号受0.8V纹波影响（图3b）。可以通过增加电容器C1的电容来减小或消除它。故意将电容器的值选择得较低，以更好地突出纹波。

图3：输出信号的初始峰值（a）及其纹波（b）

电感上的电流

电感上的平均电流大约等于输出电流。在“导通”阶段，MOSFET中的电流将等于电感器中的平均电流加上一个纹波。反之亦然，在“关断”阶段，在D1中循环的电流将等于电感器中的平均电流与电流纹波的总和（图4）。在我们的示例中，电流约为700 mA。

图4：降压转换器的电感器I（L1）和负载I（R1）上的电流

观察流过电感的电流的曲线图也很有趣，这与MOSFET栅极上的脉冲序列相对应（图5）。所检查电路的效率约为77％。

图5：电感上的电流与MOSFET上的脉动电压的关系图

噪音和干扰

降压转换器由于其开关介质频率和电抗元件的存在，会产生电噪声，并且在某些情况下，可以像实际的无线电设备一样在附近传输电信号。该电路产生的许多振荡具有比MOSFET的正常开关频率高得多的频率。让我们看一下图6中的图形。它测量在二极管阴极处的初始时间和1 ms之间的瞬态电压。换句话说，这是MOSFET的“源极”输出处的电压。该图将该电压与流过电感器L1的电流相关联。当电流达到其平均值时，高频噪声结束。

图6：降压转换器会在高频下产生电噪声。

噪声的频率约为420 kHz。在图7中，我们可以观察到LC滤波器之前MOSFET的输出处的频谱图。在其中，我们可以看到20 kHz的开关信号，故意高于人类的听力阈值。

图7：MOSFET源极处的频谱图

IC降压开关稳压器

有许多实现整个降压转换器系统的集成电路。其中之一就是Analog Devices的LTC1707型号。它是使用固定频率架构的高效单片电流模式同步降压稳压器。工作电源范围为8.5 V至2.85 V，非常适合单节和双节锂离子电池供电的应用。突发模式操作可在低负载电流下提供高效率。100％的占空比提供了低压差操作，从而延长了电池供电系统的工作时间。开关频率在内部设置为350 kHz，从而允许使用小型表面贴装电感器。对于噪声敏感的应用，它可以外部同步至550 kHz。图8显示了LTC1707和3.3V输出在30负载下的应用。

图8：LTC1707降压型开关稳压器

在该示例中，负载耗散的功率为0.355813 W，电池产生的功率为0.371479W。其他组件损失的功率为0.01566W。在这些条件下，采用LTC1707的buck转换器的效率为95.78。 ％。效率不是固定的，而是根据电路的输入电压和负载而变化的，如下表（表1）所示。

编辑：hfy