BUCK电路的工作原理

电源/新能源

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描述

由于实际上BUCK电路工作在闭环状态,因此实际控制开关管导通和关闭的信号是由BUCK电路自身反馈形成的,而非外界给定,故需要对BUCK电路添加反馈。

工作原理

实际BUCK电路如图,采用电压反馈的形式,整个反馈回路包括电压采样、单极点-零点补偿、脉宽调制三个部分,反馈网络和电压采样都是以二级运放为基础的电路,脉宽调制为比较器。

工作原理为,电压采样输出的信号,传入反馈网络中,反馈网路另一端输入为参考电压VREF,反馈网络检测采样与VREF是否相等,若VREF大于采样信号,则反馈网路输出VF抬高,脉宽调制为比较器,一端输入为三角波,另一端为VF,当VF升高时,脉宽调制输出的占空比显然升高,D增大,由公式VO/VIN=D,VO升高,采样电压升高,直到采样电压=VREF,电路进入稳定状态。

显然,在实现功能的同时需要考虑,环路是否稳定,因此需要对环路进行建模。

工作原理

图中给出了buck电路和PWM电路传输函数,ESR为电容上的串联电阻。

则不包括反馈网络下,整个回路的传输函数H=H1*H2。

工作原理

BUCK电路各参数如上,则可以近似计算出传输函数的零极点,其中20lgVin=20lg5是传输函数的直流增益。

工作原理

大致画出补偿前的传输函数幅频和相频曲线其中幅频曲线与0交点为穿越频率,为保证穿越频率稳定,需要将其补偿到1/10开关频率的位置,显然补偿前不在1/10开关频率处。

为补偿H,选用单零点-极点补偿网络,他能为整个反馈回路提供一个额外零极点,从而修正H。

工作原理

一般取补偿网络极点fp=1/2开关频率,零点为原先H中极点fp0的0.75倍。

工作原理

补偿网络中各个参数计算公式在上述给出,补偿完成后电路可以稳定。

工作原理

对电路仿真,可以看到输出电压最终稳定在3V,且其他信号波形也与分析的一致。

电路启动时,输出电压为0,电压采样小于参考电压,故反馈网络输出拉高(蓝色的波形),导致比较器输出持续为0,将PMOS长时间开启,对输出VO长期充电,VO电压不断上升,采样电压超过了VREF,故反馈网络输出拉低(蓝色的波形),导致比较器输出为1,NMOS打开,输出开始放电,VO下降,如此反复逐渐达到稳定值。因此该电路只要提供电源电压、地、参考电压VREF,就可以得到任意小于VDD的稳定电压。而如果反馈网络设计的不到位,将导致电路持续振荡,无法达到稳态。

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