详解BUCK电路原理

十亿少男的梦

描述

在电子电路中,电源一般分为两类,一类是线性电源,一类是开关电源。线性电源具有噪声小的优点。开关电源虽然噪大,但是具有效率高、热损小的优点。

开关电源还可以细分为降压型、升压型和升降压三类。也可按照隔离、非隔离,或者同步非同步再进一步细分。

在手机、电脑等消费电子领域,降压型BUCK电路应用非常广泛。是电源工程师的入门课,下面就介绍BUCK降压电路的基本工作原理,并进行原理仿真,后台回复:BUCK仿真文件 可以得到仿真源文件。

为了把我们的主要精力放在理解BUCK原理上,我们选择非同步BUCK进行分析,也就是电路中只有一个开关管,由二极管对电感续流放电。

基本的BUCK降压电路由开关、电感、二极管和电容组成,简约的东西经过组合往往会迸发出不可思议的结果,BUCK就是这样的电路。

电感的基本参数和意义见以前的文章:

电感参数有哪些?怎么选择电感?

BUCk基本框图如下:

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当开关S1闭合导通时,VA电压为高,Vin给电感L1充电,流过电感L1的电流逐渐增加,电流路径见上图绿色回路,电感充电波形见下图。

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当开关S1断开时,Va为低电平,电感L1通过负载和二极管放电,电感L1的电流逐渐减小,电流路径见下图蓝色部分,电感放电波形见上图。

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BUCK的基本工作过程就是对电感充放电的过程。

这里有个小说明,在同步BUCK中D1会被开关代替,以提高效率,在S1断开时,但是本章中使用的是续流二极管,则在S1断开时,VA其实是有一部分的负电压的(差不多刚好-0.7V)。

BUCK输入输出电压的计算关系:

我们不用管什么幅秒特性,只看最终、最基本、最本质的电感相关公式:

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在BUCK建立稳态后,电感充放电的电流是相等的,△t=T*D是充电的时间,T*(1-D)是放电的时间,即稳态时:

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T为开关周期,D为占空比,就是开关导通的时间占整个周期的百分比。

同样的道理:

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整理得到:

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非常简单的计算过程,一点也不复杂。

下面看原理仿真,multisim仿真文件在公众号后台回复:buck仿真文件 可以下载。

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通过开关管对电感充放电,可以明显看到电流的充放电三角波电流,当改变输出电容时,有助于缓解输出的纹波,然而由于BUCK开关架构的先天不足,此纹波无法消除,抑制程度也有限。

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同时我们也可以看到由于续流二极管的存在,当开关段开始,Va有小段的负电,此负电大约-0.7v,就是和二极管相关,同时由于此二极管的存在,输入输出关系也略微改变,导致输出输入不满足D的关系,为了提升效率就出现了同步BUCK电路。

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