降压型斩波电路的特点及参数

Buck电路：降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同。Buck变换器也有CCM和DCM两种工作方式。

1、降压型斩波电路的原理图

在控制开关VT导通ton期间，二极管VD反偏，电源E通过电感L向负载R供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，导致在电感两端有一个正向电压Ul=E-u0，左正右负，这个电压引起电感电流iL的线性增加。

在控制开关VT关断toff期间，电感产生感应电势，左负右正，使续流二极管VD导通，电流iL经二极管VD续流，uL=-u0，电感L向负载R供电，电感的储能逐步消耗在R上，电流iL线性下降，如此周而复始周期变化。如图1-1。

2、降压型斩波电路的参数设置

设置触发脉冲占空比α分别为20%、50%、70%、90%。与其产生的相应波形分别如图1-10图1-11图1-12图1-13。在波形图中第一列波为输出电压波形，第二列波为输入电压波形。

（1）在降压式直流斩波电路（Buck）中，电感和电容值设置要稍微大一点。

（2）注意VT的导通和关断时间，电容的充放电规律和电感的作用。

（3）输出电压计算公式：U0=DE。

参数计算

　　输出电压：20-30V

　　输出额定电压：12V

　　输出电压纹波：125mV（1%）

　　额定输出电流：4A（额定功率48W）

　　最大输出电流：6A

　　开关频率：100KHz（10uS）

　　输入电流最大波纹：30mA

　　电压跌落：250mA（1uS内Io从200mA突变到4A）

　　1.占空比计算

　　Dmin=12/30=0.4

　　Dmax=12/20=0.6

　　2.输出滤波电感计算

　　滤波电感的作用：

　　一是低频滤波，在此主要是阻碍电路电流的突变。（因电感的自感电势会阻碍原电流的变化。）

　　二是高频滤波，电感元件和电容及电路有谐振频率，它可在高频电路里吸收或阻档同频或差频的信号波。

　　要求电路电流在额定电流的10%时恰好处于临界状态。如下图所示，此时的输出电流应该为Io=10%*4A=0.4A，Ip=0.8A。在0-Ton时刻，电感L上承受的电压为（Uin-Uo），因此有：

　　

　　为了保证L在任何情况下都能满足保证电流和低是依然能连续，应该去L更大的值，因此以Uin最大时去计算L。

　　

　　3.输出滤波电容值计算

　　Co 很大的话，可以保证输出电压近似恒定，但是Co 很大会导致体积和成本更大。因此实际中根据容许的输出电压纹波来选择Co的值。

　　我们设计时总是按照电感电流谐波全部进入Co，恒定分量进入负载（ 如果带阻性负载，在闭环电路的控制下，输出电压恒定，确实是这样的）。电感电流i的谐波进入电容，由电容的寄生电阻ESR、寄生电感ESL，和Co 值决定电压纹波的。

　　对于低于500KHZ的谐波，ESL 产生的电压纹波可以忽略。因此，输出电容中由ESR 和Co决定纹波电压分量。由ESR 产生的纹波分量正比于电感电流纹波分量，由Co决定的纹波分量与流过电容的电流积分成正比。这两个分量相位是不同的。

　　

　　上图中分别显示了ESR 和Co产生的电压纹波随电流纹波变化情况，在i直大于Io时，电容充电，uc上升，uEsR随i变化; 在i小于Io时，电容放电。电容一周期电流平均值为0。

　　在0~0.5T时间内，假设UC和uEsR两个峰值叠加在一起了有：

　　

　　△U是要求的输出电压纹波值=120mV，T为开关周期，△I为电感电流峰峰值，可以根据前面得到的L值计算出来。当然是以最大电流纹波时电容依然能保证电压纹波在要求范围内来计算。

　　

　　上式中只存在Co和ESR两个未知数。从一些厂家目录中可以认定，在很大范围内不同电压等级和不同容值的常用铝电解电容，其ESR*Co=50～80*0.00001.带入3式中得到：Co=336uF。实际中取470uF。

3、降压型斩波电路的特点

效率高，可靠性好;

工作效率高，使电路中电压/电流波形的快瞬变化，产生电磁辐射干扰;

元件布局和PCB布线难度较大;

输出电压纹波比较大;

电路复杂，成本高。

4、降压型斩波电路的常规角度分析

时域分析方法

下面按着电容充放电和电感充放电进行时域分析。时域分析的过程是按着输入电压的高与低，分析电路里电容电压和电感电流的变化过程。这个分析过程可以按着大多课本上面所讲述的过程分析，从CCM模式到DCM 模式。

（1）CCM 模式当输入电压为 Vin 时，电感电流增加，电流小于输出负载电流iL，此时的负载电流由电感和电容同时提供。当电流逐渐增加到大于输出的平均电流的时候，电感电流为负载和电容提供能量。当输入为0，即开关管关断时，电感电流下降，此时电流依然大于输出平均值，电容电压延续上述上升的趋势，直至电感电流小于输出平均电流，电容开始放电，完成一个开关周期的循环过程。具体的波形如下：

（2）DCM模式在 DCM 模式下，电感的电流在开关管管断后的一段时间后逐渐减为零，此时的等效输入电压为输出电压值，具体的波形如图4 所示。

在 CCM 模式下，电压的输出值与输入值之间是正比关系，比例系数为占空比D。在DCM 的模式下电压会被抬升，具体的关系和电路的参数、开关频率以及占空比相关。具体的推导关系为：

其中

根据此公式可以看出，当电路输出开路，即电阻无穷大的时候，输入等于输出。