降压型DC-DC电路的工作原理

来源:鞍山核心电子技术有限公司 作者:核心电子

  降压电路是BUCK电路,开关S闭合的时候,VD二极管承受负压关断,电感充电,电流正向流动,电流值呈现指数上升趋势。开关S断开的时候,VD二极管起续流作用,电感开始放电,电流逐渐下降,通过负载和二极管回到电感另外一端,短暂供电。这样电压就能降低。实际使用的时候,S开关是通过MOSFE或者IGBT实现的,输出电压等于输入电压乘以PWM波的占空比。

图1 降压变换器原理图

  开关电源总的来分有隔离型和非隔离型电路。所谓非隔离型电路是根据电路形式的不同,可以分为降压型buck电路、升压Boost型电路、升降压Buck-Boost型电路、Cuk型丘克电路、Sepic型电路、Zeta型电路。我们这里主要分析降压型DC-DC转换器的工作原理,Buck电路如图1所示。图中功率MOSFET为开关调整元件,它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件;开关截止时,二极管VD可保持输出电流连续,所以通常称为续流二极管。控制电路输出信号使开关管VT导通时,滤波电感L中的电流逐渐增加,因此贮能也逐渐增大,电容器C开始充电。忽略MOSFET的导通压降,MOSFET源极电压应为Uin。

  基于TL494单端降压DC-DC转换器的设计,采用电流连续模式(CCM)工作。开关电源工作在CCM时,一个周期内,开关管导通时间为DT,Ii的上升量为[(Uin-Uo)*DT]/L;开关关断时间为(1-D)T,则Ii的下降量为[Uo*(1-D)T]/L。在稳定状态下,由上表面非隔离型电路推导的两个工作原理得IL在每个周期的末尾和开始必须相等,因此:

  于是占空比D与Uin、Uo的关系如下:


  CMM降压型开关电源的主要波形。负载电流Io的关系可按每个周期下,IL向负载传送的电荷与Io在同时间下得到的电荷相等。

  DC/DC转换器电路的各种特性(效率、纹波、负载瞬态响应等)可根据外设元件的变更而变更,尽量在各种制约条件下,设计出最接近要求规格的DC/DC转换器电路。

  1、DC/DC转换的基本工作原理

  最基本的基本型DC/DC转换器电路为升压和降压电路。

  1)、升压电路

  FET为ON时的电路图

  在FET为ON的时间里在L积蓄电流能。虚线表示的电流路径虽是微小的漏电流,但会使轻负载的效率变差。

  FET为OFF时的电路图

  在FET为OFF时,L要保持OFF前的电流值,相当于在输入回路增加了一个“电源”。由于线圈的左端被强制性固定于VIN,因此输出VOUT的电压要大于VIN,即升压电路原理。

  由此,FET的ON时间越长(FET的触发占空比D越大),L里积蓄的电流能越大,越能获得电源功率,于是升压就越高。但是,FET的ON时间太长的话,给输出侧供电的时间就极为短暂,FET为ON时的损失也就增大,变换效率变差。因此,通常要限制占空比的最大值,不超过适宜的占空比D。

  2)、降压电路

  FET为ON时的电路图

  在FET为ON的时间里,L积蓄电流能的同时为输出供电。虚线表示的电流路径虽是微小的漏电流,但会使轻负载的效率变差。

  FET为OFF时的电路图

  在FET为OFF时,L要保持OFF前的电流值,使SBD为ON。此时,由于线圈的左端被强制性地降到0V以下,VOUT的电压下降,即降压电路原理。

  由此,FET的ON时间长L里积蓄的电流能越大,越能获得大功率电源,降压的幅度越小。

  降压时,由于FET为ON时也要给输出供电,所以不需要限制占空比的最大值。

  2、DC/DC转换电路的设计要点

  (1)稳定工作(=不会因异常振动等误动作、烧损、过电压而损坏)

  (2)效率大

  (3)输出纹波小

  (4)负载瞬态响应好

  这些设计指标可通过变更DC/DC转换器IC和外设元件得到某种程度的改善。

  3、开关频率的选择

  DC/DC转换器IC具备固有的开关频率,频率的不同会对各种特性产生影响。

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