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DCDC(BUCK BOOST)基础

2021-09-20 · 8 min read
电路 笔记

buck and boost 电路基础知识,秋招学习笔记

buck电路


当开关管Q受到驱动脉冲控制导通时,续流二极管D截止,输入电源与储能电感L接通,因此输入-输出压差UiUoU_i-U_o加在L上,使通过L上的电流逐渐增加。在此阶段,除向负载供电外,还有一部分电能储存在电感L和电容C中。

当开关断开时,L与电源输入断开,但由于电感电流不能在瞬间发生突变,因此在电感L上就产生反向电动势以维持通过的电流不变。此时续流二极管D导通,储存在电感L中的电能就经过有D构成的的回路对负载供电。(主要是电容C对负载供电,此阶段一直给电容充电,维持电压稳定)

buck的公式计算

开通关断伏秒积平衡,即加在电感两端的电压乘以导通时间等于关断时刻电感两端电压乘以关断时间:

VOUT=VINDV _{OUT}=V _{IN}*D

D=tonfsD=t_{on}*f_s

电感上的纹波电流:

ΔIL=VOUT(1VOUT/VIN)LfS\Delta I_{L} = \frac{V_{OUT} \cdot (1-V_{OUT}/V_{IN})}{L\cdot f_S}

所需电感值:

L=VOUT(1VOUT)/VINΔILfSL =\frac{V_{OUT}\cdot (1-V_{OUT})/V_{IN}}{\Delta I_{L}\cdot f_{S}}

输出电压纹波:

VRIPPLE=ΔIL(ESRCOUT+18fsCOUT)V_{RIPPLE}= \Delta I_{L} \cdot (ESR_{C_{OUT}}+ \frac{1}{8f_sC_{OUT}})

boost电路


当开关闭合时,二极管D截止,输入电压经过电感L后返回,通过电感的电流线性地增大。此时输出滤波电容向负载放电。
当开关断开时,由于电感电流不能在瞬间发生突变,因此在电感L上产生反向电动势VLV_L以维持通过电流不变。此时二极管D导通,输入电压和电感两电压串联后,以超过输入大小的电压向负载供电,并对输出滤波电容充电。

boost的公式计算

伏秒积平衡:

VOUT=VIN1DV_{OUT} = \frac{V_{IN}}{1-D}

D=1VINVOUTD=\frac{1-V_{IN}}{V_{OUT}}

电感上的纹波电流:

ΔIL=VINLTON=VIN(1VIN/VOUT)LfS\Delta I_{L} =\frac{V_{IN}}{L\cdot T_{ON}}= \frac{V_{IN} \cdot (1-V_{IN}/V_{OUT})}{L\cdot f_S}

输出电容纹波电流:

ICOUT(RMS)=IOUT(MAX)(D/(1D))I_{C_{OUT}(RMS)}=I_{OUT(MAX)}\cdot(\sqrt{D/(1-D)})

DCDC的损耗

  1. 开关管损耗:这是开关电源的主要损耗,主要包括开关损耗、导通损耗。因此应该尽量选择导通电阻比较小的开关管作为开关电源的核心元器件。
  2. 电感电容损耗:电感损耗主要包括直流电阻损耗,电容损耗主要包括漏电流损耗。因此应该尽量选择直流电阻较小的电感和漏电流较小的电容元器件。
  3. 二极管损耗:主要包括导通损耗和开关损耗。因此应该尽量选择导通压降较小,反向恢复时间较短的二极管,例如肖特基二极管或快恢复二极管等。

DCDC电路的纹波

实际输出电压纹波由电感电流与输出阻抗决定,由三部分组成

  1. 电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降
  2. 输出电容的充放电
  3. 寄生电感引起的电压突变

纹波一般有以下几种:

  1. 高频纹波。开关电源的开关管在导通和截止的时候,在电路中就会出现一个与开关上升与下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声,一般为几十 MHz。同样二极管在反向恢复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声,幅值通常要比纹波大得多。
  2. 开关器件产生的噪声。随着开关的开启和关闭的切换,电感 L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。
  3. 调节控制环路引起的纹波噪声。实际电路中控制环路要有时间响应,不能做到线性调节,故输出电压瞬间会忽高忽低,甚至有可能造成电源系统的振荡,由此产生了纹波噪声。

纹波的测量

  1. 在测量输出电压纹波时,要注意如下几点:
  2. 保证接地环路尽可能小,建议使用接地环
  3. 探头应靠近电容两侧
  4. 避免同时使用示波器其他通道测试其他点位的波形
  5. 如果只关注开关频率分量纹波,建议打开示波器带宽限制

输出电压纹波的抑制

输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定。

Vpp=IRipple×ZOUTeqV_{pp}=I_{Ripple}\times|Z_{OUT_{eq}}|

要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。
当输入输出电压和负载一定时,电感电流的纹波跟开关频率和电感量成反比。增加电感量或者开关频率可以有效降低输出电压的纹波,但开关频率和电感往往受到电路效率和体积等的限制。
若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求,可以增加第二级LC 滤波器来进一步降低输出电压纹波。

DCDC 的工作模式

CCM工作模式

CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式:在一个开关周期内,电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”,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。

buck变换器在CCM工作模式下的波形

  1. 优点
    初级峰值电流相对较小,但会叠加较大的直流成分;占空比跟输出的电流大小无关,故适合于负载电流变化较大的场合;对次级输出的电容要求相对较低,有利于降低电容的容量与体积。
  2. 缺点
    次级整流二极管存在反向恢复的问题,从而引起发热与EMI问题;反馈补偿复杂,存在右半面零点的问题;需要较大的磁芯与较多的初级匝数。

DCM工作模式

DCM,(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式:在开关周期内,电感电流总会会到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。

buck变换器在DCM工作模式下的波形

  1. 优点
    因为初级开关管开通前,次级整流二极管就已经关闭,所以不存在反向恢复的问题;反馈补偿容易,不存在右半面零点的问题,所以负载电流突变引起的瞬态响应更快,动态好,过冲也不会太高。
  2. 缺点
    所有功率元器件承受的峰值电流都比较大,电流的有效值也大,在一定程度上会影响电路的效率;大的di/dt会带来EMI问题;因为占空比跟输出的电流大小有关,要得到稳定的输出,必定有个最小负载的问题;对次级输出的电容要求也更高,否则会有很大的纹波问题。

https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/53234
https://d1.amobbs.com/bbs_upload782111/files_45/ourdev_672564QI1SV3.pdf
https://zhuanlan.zhihu.com/p/354301399
https://zhenhuizhang.tk/post/dian-lu-kai-guan-dian-yuan-tuo-bu-jie-gou-_buck_boost_buck-boost/
https://blog.csdn.net/zhy295006359/article/details/79054258
https://blog.csdn.net/weixin_41804194/article/details/115079246
邢朋朋. 基于纹波补偿的COT架构降压型变换器XD1780的设计[D].西安电子科技大学,2017.