电源电路BUCK工作原理

2024-01-12

1、BUCK电路的定义

BUCK电路是一种基于电感储能原理的DC-DC变换器,其涉及到物理中的电磁感应和电能转换的基本原理。在BUCK电路中,通过控制输入占空比可变的PWM波切换开关管的导通和断开状态,将输入电源提供的直流电压转换为可调的低电压输出,从而满足不同电路的供电需求。

2、基本拓扑结构

电源电路BUCK工作原理 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

在BUCK电路中,开关管周期性地开关,使电感储存能量并将其传递到负载。BUCK电路的输出电压与输入电压和开关管的占空比有关。具体来说,当开关管关闭时,电感中的电流会继续流动,并产生反向电动势,使输出电压增加。当开关管打开时,电感中的电流会继续流动,并产生正向电动势,使输出电压降低。通过调整开关管的占空比,可以控制输出电压

BUCK电路的输出电压与输入电压和开关管的占空比有关。输出电压可以使用以下公式计算:

Vout=Vin×D

其中 Vout 是输出电压,Vin 是输入电压,D 是开关管的占空比。开关管的占空比可以通过控制开关管的导通时间和截止时间来实现。

1)电感电流的三种工作模式

电源电路BUCK工作原理 (https://ic.work/) 电源管理 第2张

(1) 电感的工作模式有三种,分别是连续导通模式(CCM)、临界导通模式(BCM)和非连续导通模式(DCM)。

(2) 在CCM模式下,电感电流不会到0,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。在DCM模式下,电感电流总会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。在BCM模式下,电感的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间342.

(3) 以上三种模式的区别在于电感的导通时间和磁场变化情况。在CCM模式下,电感电流从不会到0,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。在DCM模式下,电感电流总会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。在BCM模式下,电感的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间342. (4) 如何选择合适的工作模式

① 选择合适的电感工作模式需要考虑多个因素,例如电路的负载、输入电压、输出电压、开关频率等。在实际应用中,通常需要根据具体的电路参数进行选择。

② 如果需要在高负载情况下工作,连续导通模式(CCM)是一个不错的选择。在CCM模式下,电感电流从不会到0,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。如果需要在低负载情况下工作,断续导通模式(DCM)是一个更好的选择。在DCM模式下,电感电流总会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。如果需要在中等负载情况下工作,则可以考虑使用临界导通模式(BCM),该模式下的导通时间和磁场变化情况介于CCM和DCM之间。

3、工作原理

开关S将输入电压Vin斩波成PWM波,再通过LC滤波器输出直流电压Vout,调整PWM波的占空比,即可得到不同的输出电压。Vout =Vin *D

电源电路BUCK工作原理 (https://ic.work/) 电源管理 第3张

环路: A. 环路一,开关闭合时的电流路径;环路二,开关断开时的电流路径(经过续流二极管的回路)。闭合环路,变化的电流产生磁场,为了降低EMC,设计PCB时,环路设计应该尽量小,同时,不要干扰了模拟电路,比如反馈回路、增益补偿、软启动、使能电路等。

B. 为了降低功耗,提高降压效率,功率电感应该选取低DCR的,饱和电流为平均电流的4/3(经验值);续流二极管D选取肖特基二极管,或选择同步降压IC(将MOS作为续流二极管)

C. 为了降低输出纹波,电感、电容需要选择合适的值,一般datasheet有推荐,电感值越大,相对纹波越小,但是,由于电感阻碍电流变化,导致响应负载的速度变慢;电容一般选用铝电解电容与陶瓷电容(低ESR)的组合;高度有限制或对成本不敏感时,可以选择钽电容,钽电容温度特性好,低ESR,寿命长,但成本高,耐压差(耐压最好选择大于2倍的输出电压)

4、常用型号

TI:德州仪器(Texas Instruments)是一家知名的半导体公司,提供各种类型的BUCK芯片,例如LM2675、LM2677、LM2679等。

ADI:ADI(Analog Devices Inc.)是一家知名的半导体公司,提供各种类型的BUCK芯片,例如ADP2384、ADP2385、ADP2386等。

ST:意法半导体(STMicroelectronics)是一家知名的半导体公司,提供各种类型的BUCK芯片,例如L7987、L7986、L7985等。

ON:安森美半导体(ON Semiconductor)是一家知名的半导体公司,提供各种类型的BUCK芯片,例如NCP3065、NCP3066、NCP3067等。

5、选型依据

选取BUCK电路芯片需要考虑多个因素,例如输入电压、输出电压、输出电流、开关频率、效率、尺寸等。以下是一些选型时需要考虑的因素:

输入电压和输出电压:需要根据电路的需求选择合适的输入电压和输出电压。通常,芯片的输入电压范围应该比实际输入电压范围宽一些。

输出电流:需要根据负载的需求选择合适的输出电流。通常,芯片的最大输出电流应该比实际输出电流大一些。

开关频率:需要根据应用场景选择合适的开关频率。通常,开关频率越高,芯片的效率越高,但是芯片的成本也会相应增加。

效率:需要选择高效率的芯片,以减少功耗和热量。通常,芯片的效率越高,发热越少。

尺寸:需要根据应用场景选择合适尺寸的芯片。通常,尺寸越小,芯片的成本越高。

其他一些情况如功耗等。

6、应用场景

电源:BUCK电路可以用于各种类型的电源,例如笔记本电脑电源、手机充电器、LED驱动器等。

汽车电子:BUCK电路可以用于汽车电子中,例如汽车音响、车载充电器等。

工业控制:BUCK电路可以用于工业控制中,例如PLC、伺服驱动器等。

通信设备:BUCK电路可以用于通信设备中,例如路由器、交换机等。

LED照明:BUCK电路可以用于LED照明中,例如LED灯带、LED灯泡等。

7、应用电路

1)、MP1584

电源电路BUCK工作原理 (https://ic.work/) 电源管理 第4张

2)TPS54331

电源电路BUCK工作原理 (https://ic.work/) 电源管理 第5张

 

文章推荐

相关推荐