Buck變換器工作原理分析與總結(jié)

1、題目： Buck變換器工作原理分析與總結(jié)目錄一、關(guān)于Buck變換器的簡單介紹11、Buck變換器另外三種叫法12、Buck變換器工作原理結(jié)構(gòu)圖1二、Buck變換器工作原理分析21、Buck變換器工作過程分析22、Buck變換器反饋環(huán)路分析33、Buck變換器的兩種工作模式31）Buck變換器的CCM工作模式42）Buck變換器的DCM工作模式53）Buck變換器CCM模式和DCM模式的臨界條件64）兩種模式的特點(diǎn)74、Buck變換器電感的選擇75、Buck變換器輸出電容的選擇和紋波電壓8三、Buck變換器工作原理總結(jié)9Buck變換器工作原理分析與總結(jié)一、關(guān)于Buck變換器的簡單介紹1、Buck

2、變換器另外三種叫法1. 降壓變換器：輸出電壓小于輸入電壓。2. 串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源：單刀雙擲開關(guān)（晶體管）串聯(lián)于輸入與輸出之間。3. 三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓電源：1) 輸入與輸出的一根線是公用的。2) 輸出電壓小于輸入電壓。2、Buck變換器工作原理結(jié)構(gòu)圖圖1. Buck變換器的基本原理圖由上圖可知，Buck變換器主要包括：開關(guān)元件M1，二極管D1，電感L1，電容C1和反饋環(huán)路。而一般的反饋環(huán)路由四部分組成：采樣網(wǎng)絡(luò)，誤差放大器（Error Amplifier，E/A），脈寬調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）和驅(qū)動電路。二、Buck變換器工作原理分析1、Buck變換器工作

3、過程分析圖2. Buck變換器的工作過程為了便于對Buck變換器基本工作原理的分析，我們首先作以下幾點(diǎn)合理的假設(shè)：1) 開關(guān)元件M1和二極管D1都是理想元件。它們可以快速的導(dǎo)通和關(guān)斷，且導(dǎo)通時(shí)壓降為零，關(guān)斷時(shí)漏電流為零；2) 電容和電感同樣是理想元件。電感工作在線性區(qū)而未飽和時(shí)，寄生電阻等于零。電容的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）和等效串聯(lián)電感（Equivalent Series inductance，ESL）等于零；3) 輸出電壓中的紋波電壓和輸出電壓相比非常小，可以忽略不計(jì)。4) 采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2的阻抗很大，從而使得流經(jīng)它們的電流可以忽略

4、不計(jì)。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，下面我們對Buck變換器的工作過程進(jìn)行分析。如圖1所示，當(dāng)開關(guān)元件M1導(dǎo)通時(shí)，電壓V1與輸出電壓Vdc相等，晶體管D1處于反向截至狀態(tài)，電流。電流流經(jīng)電感L1，電流線性增加。經(jīng)過電容C1濾波后，產(chǎn)生輸出電流和輸出電壓。采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2對輸出電壓進(jìn)行采樣得到電壓信號，并與參考電壓比較放大得到信號。如圖1（a）所示，信號和線性上升的三角波信號比較。當(dāng)時(shí)，控制信號和跳變?yōu)榈?，開關(guān)元件M1截至。此時(shí)，電感L1為了保持其電流不變，電感L1中的磁場將改變電感L1兩端的電壓極性。這時(shí)二極管D1承受正向偏壓，并有電流流過，故稱D1為續(xù)流二極管。若時(shí)，電容C1處于放電狀態(tài)，有利于輸出

5、電流和輸出電壓保持恒定。開關(guān)元件截至的狀態(tài)一直保持到下一個(gè)周期的開始，當(dāng)又一次滿足條件時(shí)，開關(guān)元件M1再次導(dǎo)通，重復(fù)上面的過程。由分析可得，Buck變換器的工作過程可分為兩部分：1) 開關(guān)（晶體管）導(dǎo)通： 二極管D1截止；電感電流線性增加并儲能；電容充電儲能；輸出電壓Vo。2) 開關(guān)（晶體管）關(guān)斷： 二極管D1導(dǎo)通；電感釋放能量；電容放電；輸出Vo。2、Buck變換器反饋環(huán)路分析仔細(xì)分析Buck變換器的原理圖可知，它的反饋環(huán)路是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路。如圖3所示，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，電壓升高，所以誤差放大器的輸出電壓降低。由于的降低，使得三角波更早的達(dá)到比較電平，所以導(dǎo)通時(shí)間減小。因此，Buck變換器的

6、輸入能量降低。由能量守恒可知，輸出電壓降低。反之亦然。圖3 Buck變換器的負(fù)反饋環(huán)路3、Buck變換器的兩種工作模式按電感電流在每個(gè)周期開始時(shí)是否從零開始，Buck變換器的工作模式可以分為電感電流連續(xù)工作模式（Continuous Conduction Mode，CCM）和電感電流不連續(xù)工作模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）兩種。兩種工作模式的主要波形圖如圖2.4所示。下面分別對這兩種工作模式進(jìn)行分析。 (a)CCM工作模式 （b）DCM工作模式圖4 Buck變換器的主要工作波形圖1）Buck變換器的CCM工作模式由定義可知，Buck變換器的CCM模式

7、是指每個(gè)周期開始時(shí)電感L1上的電流不等于零，圖4（a）給出了Buck變換器工作在CCM模式下的主要波形。設(shè)開關(guān)M1的導(dǎo)通時(shí)間為，截止時(shí)間為，工作時(shí)鐘周期為，則易知有 （2-1）開關(guān)M1的狀態(tài)可以分為導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。假設(shè)輸入輸出不變，開關(guān)M1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電壓，此時(shí)電感L1兩端的電壓差等于，電感電流線性上升，二極管電流。在開關(guān)M1導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，電感電流的增量為 （2-2）其中，表示開關(guān)M1導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流的增量（A）；表示電感L1的電感量（H）。當(dāng)開關(guān)M1處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若沒有二極管D1的存在，電感L1中的磁場會將電壓V1感應(yīng)為負(fù)值，以保持電感中電流不變。這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象成為“電感

8、反沖”。但此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，將電壓V1鉗位在比地低一個(gè)二極管正向?qū)▔航档碾娢?。由假設(shè)條件可知，電壓V1=0V。此時(shí)，電感L1兩端的電壓差等于，電感電流線性下降，二極管電流。在開關(guān)M1截止的時(shí)間內(nèi)，電感電流的增量為 （2-3）其中，表示開關(guān)M1截止時(shí)間內(nèi)電感電流的增量（A）； 當(dāng)Buck變換器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流的增量，所以 （2-4）整理可得 （2-5）若令，則 （2-6）其中，表示開關(guān)M1導(dǎo)通時(shí)間占空比。上式表明，輸出電壓隨著占空比變化。若用G表示輸出電壓的電壓增益，則CCM模式下Buck變化器的電壓增益為 （2-7）2）Buck變換器的DCM工作模式 由定義可知，Buck變換器的DCM

9、工作模式是指每個(gè)周期開始時(shí)電感L1上的電流等于零，圖4（b）給出了Buck變換器工作在DCM模式下的主要波形。由圖4（b）可知，DCM工作模式下Buck變換器共有三種狀態(tài)：開關(guān)管M1導(dǎo)通，二極管D1導(dǎo)通和系統(tǒng)閑置（即開關(guān)管M1和二極管D1都關(guān)閉）。設(shè)開關(guān)M1的導(dǎo)通時(shí)間為，截止時(shí)間為，二極管導(dǎo)通時(shí)間為，系統(tǒng)閑置時(shí)間為，工作時(shí)鐘周期為，則易知有 （2-8）假設(shè)輸入輸出不變，開關(guān)M1處于導(dǎo)通狀態(tài)，參考Buck變換器工作在CCM模式的公式推導(dǎo)過程，可以推導(dǎo)出DCM模式下，在開關(guān)M1導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，電感電流的增量為 （2-9）其中，表示開關(guān)M1導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流的增量（A）。同樣的，當(dāng)二極管D1導(dǎo)通，開關(guān)

10、M1截止時(shí)，參考Buck變換器工作在CCM模式的公式推導(dǎo)過程，可以推導(dǎo)出DCM模式下，在二極管D1的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電感電流的增量為 （2-10）其中，表示二極管D1導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流的增量（A）。當(dāng)系統(tǒng)處于閑置狀態(tài)時(shí)，電感電流和二極管電流都等于零。為了維持輸出電壓和輸出電流不變，電容C1處于放電狀態(tài)。由假設(shè)條件c)可知，此時(shí)電容上的電流等于輸出電流，即 （2-11）其中，表示輸出負(fù)載的阻抗。 當(dāng)Buck變換器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流的增量，所以 （2-12）整理可得 （2-13）令，則上式可變?yōu)?（2-14）若用G表示輸出電壓的電壓增益，則DCM模式下Buck變換器的增益為 （2-15）另外，由圖2

11、.4（b）可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電流等于電感電流的平均值，而且等于，所以 （2-16）化簡可得 （2-17）其中，。聯(lián)立式（2-15）和（2-17）可解得Buck變換器DCM模式下的電壓增益為 （2-18）3）Buck變換器CCM模式和DCM模式的臨界條件所謂Buck變換器的臨界條件就是指，此時(shí)Buck變換器的工作狀態(tài)即滿足DCM模式的條件，又滿足CCM模式的條件。由式（3）我們知道Buck變換器在DCM模式下有 （2-19）因?yàn)?，此時(shí)Buck變換器又滿足CCM模式的條件，所以，故有 （2-20）因此，Buck變換器CCM模式和DCM模式的臨界條件為 （2-21）且Buck變換器工作在CCM和DCM

12、模式的判斷條件分別為聯(lián)立式（2-10）和（2-21）可得 （2-22）由上式可以得出Buck變換器CCM模式和DCM模式臨界條件的另一種形式 （2-23）由上式可知，若二極管導(dǎo)通時(shí)間和電感量固定，Buck變換器工作在CCM模式還是DCM模式由負(fù)載電阻決定。當(dāng)電阻增大時(shí)，工作狀態(tài)由CCM模式轉(zhuǎn)化為DCM模式。4）兩種模式的特點(diǎn)a) 不連續(xù)模式電壓峰值更高b) 不連續(xù)模式電流峰值更大c) 連續(xù)模式比不連續(xù)模式具有更好的可控性。d) 不連續(xù)模式能量完全傳遞，連續(xù)模式下能量不完全傳遞4、Buck變換器電感的選擇選擇Buck變換器電感的主要依據(jù)是變換器輸出電流的大小。假設(shè)Buck變換器的最大額定輸出電流

13、為，最小額定輸出電流為。當(dāng)Buck變換器的輸出電流等于時(shí)，仍然要保證電感工作在非飽和狀態(tài)，這樣電感值才能維持恒定不變。電感值的恒定確保了電感上的電流線性上升和下降。其次，最小額定輸出電流和電感值決定了Buck變換器的工作狀態(tài)是否會進(jìn)入DCM模式。我們知道，當(dāng)Buck變化器工作在CCM模式時(shí)有 （2-35）且當(dāng)輸出電壓，輸入電壓和變換器的工作周期不變時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間保持不變。由CCM模式和DCM模式的臨界條件可知，CCM模式的最小輸出電流為 （2-36）又因?yàn)?（2-37）聯(lián)立式（2-35）,（2-36）和（2-37）得Buck變換器CCM模式和DCM模式的臨界電感值為 （2-38）5、Buck變換

14、器輸出電容的選擇和紋波電壓 Buck變換器輸出電容的選擇和紋波電壓的大小密切相關(guān)。我們知道，實(shí)際的電容C1可以等效為如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)。其中電阻R0為等效串連電阻（Equivalent Series Resistance, ESR）,電感L0為等效串連電感（Equivalent Series Inductance，ESL）。當(dāng)頻率低于300KHz或500KHz時(shí)，電容C1的等效串連電感可以忽略，輸出紋波電壓主要取決于電容C0和等效串連電阻R0。圖4 電容C1的等效電路及電容C1上的電流電壓變化由上圖可知，電容C1上的電流為 （2-39）所以，電容C1上的電流最大變化量為，故等效串連電阻R0上產(chǎn)生的電壓波動峰峰值為 （2-40）電容C0上的電壓紋波峰峰值為 （2-41）所以，輸出電壓上的電壓紋波為 （2-42）但從一些廠家的產(chǎn)品手冊可知，大多數(shù)常用鋁電解電容是一個(gè)常數(shù)，且等于。而Buck變換器的工作頻率一般為2050KHz，所以其周期為。因此， （2-43）所以，一般情況下我們可以忽略電容C0產(chǎn)生的紋波電壓，那么電壓紋波近似為 （2-44）而電壓紋波和電感電流變化量可以由系統(tǒng)參數(shù)得到，所以可以求出變量