电源设计说明：模拟降压转换器

在本教程中，我们将看到一个涉及降压转换器的模拟。使用的主要电子软件是LTspice，这是一种高性能 SPICE仿真软件、原理图捕获和波形查看器，具有增强功能和模型，可简化模拟电路的仿真。它可以在这里免费下载。

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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。制造商提供带有控制器的降压集成电路。降压型 DC/DC 转换器是一种能够将输入电压转换为低于输入电压的输出电压的设备（降压，V _OUT < V _IN）。降压转换器由一个由方波驱动的开关（用 MOSFET 制成）、二极管和 LC 滤波器组成。PWM 的频率值与 L1 和 C1 的值一起决定了电路中的输出电压。负载也可以决定输出电压。当 M1 处于“导通”阶段且二极管被阻断时，在第一阶段，电感上的电压为：

VL1(on) = V _IN – V _OUT

当 M1 处于“关断”状态且二极管导通时，在第一阶段，电感上的电压为：

VL1(off) = –V _OUT

电气方案

我们来看看图1中的接线图，它是一个降压转换器，具有以下特点：

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

图 1：降压转换器的电气原理图

模拟

让我们通过执行观察以下参数的初步模拟来开始对降压转换器的研究：

• 电路的输入电压
• 负载上的输出电压
• 允许开关状态的脉冲方电压

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道：

• 绿色轨迹显示 50V 电路电源电压 (VCC)。
• 青色轨迹显示了 45V 脉冲串，用于打开和关闭 MOSFET (Vgate)。
• 红色轨迹显示了 30Ω 负载 (V _OUT )上电路输出的 20V 电​​压。

图 2：在此仿真的图表中，我们可以观察到输入电压、输出电压和开关信号。

根据该电路中使用的元件的电流值，我们可以注意到一些情况：

• 20 VDC 的输出信号在 1 ms 瞬变后稳定，在 0.2 ms 处达到 35 VDC 的峰值（图 3a）。设计人员必须评估这个初始电压增加，以避免损坏设备。
• 输出信号受 0.8V 纹波影响（图 3b）。它可以通过增加电容器C1的电容来减少或消除。电容器的值被故意选择得较低，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中的平均电流加上纹波。反之亦然，在“关闭”阶段，在 D1 中循环的电流将等于电感中的平均电流加上电流纹波的总和（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 I(L1) 和负载 I(R1) 上的电流

观察电感器上流动的电流图也很有趣，与 MOSFET 栅极上的脉冲串相对应（图 5）。所检查电路的效率约为 77%。

图 5：电感器上的电流与 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中频和电抗元件的存在，会产生电噪声，并且在某些情况下，可以像真正的无线电一样在附近传输电信号。电路产生的许多振荡频率远高于 MOSFET 的正常开关频率。让我们看看图 6中的图表。它测量二极管阴极从初始时间到 1 ms 之间的瞬变电压。换句话说，这是 MOSFET 的“源极”输出端的电压。该图将此电压与通过电感器 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：降压转换器会产生高频电噪声。

噪声频率约为 420 kHz。在图 7 中，我们可以在 LC 滤波器之前观察 MOSFET 输出端的频谱图。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 源极的频谱图

I2C 降压型开关稳压器

有许多集成电路可以实现整个降压转换器系统。其中之一是 ADI 公司的 LTC1707 型号。它是一种采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，使其适用于单节和双节锂离子电池供电应用。突发模式操作可在低负载电流下提供高效率。100% 占空比提供低压差运行，延长电池供电系统的运行时间。开关频率在内部设置为 350 kHz，允许使用小型表面贴装电感器。对于噪声敏感应用，它可以在外部同步高达 550 kHz。图 8显示了 LTC1707 和 3.3V 输出在 30Ω 负载上的应用。

图 8：LTC1707 降压型开关稳压器

在示例中，负载消耗的功率为 0.355813 W，电池产生的功率为 0.371479 W。其他组件损失的功率为 0.01566 W。在这些条件下，带有 LTC1707 的降压转换器的效率为 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，如下表（表 1）所示。

	4伏	5伏	6伏	7伏	8伏	9伏	10伏
5欧	87.98%	87.81%	87.25%	86.55%	85.99%	85.51%	85.05%
10欧	92.10%	93.38%	93.12%	92.96%	92.71%	92.54%	92.40%
15欧	94.31%	94.96%	94.66%	94.37%	94.17%	93.93%	93.59%
20欧	95.52%	95.81%	95.38%	95.03%	94.72%	94.42%	94.08%
25欧	96.00%	96.17%	95.75%	95.27%	94.86%	94.63%	94.32%
30欧	96.51%	96.39%	95.75%	95.33%	94.98%	94.67%	94.54%
35 Ω	96.98%	96.56%	95.95%	95.46%	95.13%	94.79%	94.68%
40 Ω	97.29%	96.64%	95.98%	95.52%	95.24%	94.92%	94.67%
45 Ω	97.31%	95.89%	95.88%	95.62%	95.19%	94.93%	94.74%
50欧	97.56%	96.42%	95.78%	95.65%	95.24%	94.96%	94.70%

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