buck降压斩波电路

2023-11-20

文章目录

前言
1 斩波电路概述
2 Buck 降压斩波电路的理论计算
3 Buck 降压斩波电路的仿真
总结

前言

Buck 降压斩波器是实际使用数量最多的一类斩波电路，也是各大厂商开关电源芯片中种类最多一类。降压斩波电路的原理也相对易于理解，所以作为斩波电路的第一节来讲解。

一、斩波电路概述

设想这么个场合，某房间仅需要1kW的取暖功率，但是手边仅有2kW的电暖气，是不是可以通过加一个开关的方法，开关隔几分钟间歇通断就可以实现1kW电暖气的效果？这就是斩波电路最朴素的一种模型，如图1所示。

图一

取暖器那样的“迟滞效应”负载可以接受电流的断续，但是对于大多数负载，例如电灯，是不能使用如图1那样的电路的。如何能让电流连续呢，3种常用无源电子元件中电感作用就是使电流连续。
1) 图2所示，给负载端串联电感L即可保证负载上电流连续。

图二

2) 图3所示电路，当SW开关断开时，为了达到电感电流必须连续的“规定”，电感将产生高压，高到把SW开关击穿为止。因此，有电感的电路需要额外提供电感电流泄放的通路。如图3所示的D1二极管起到延续电感电流的作用，称为续流二极管（freewheeling diode ）。

图三

3) 在电力电子主电路中二极管也是开关的一种（一般可忽略导通压降），所有分析开关的方法都是一样的：开关导通等效为导线，开关断开则擦除该元件。所以，对于图3原理的分析就变成分析二极管是否等效为导线了。
4) 参考图3，当SW开关闭合时，二极管D1承受的是反压，所以擦除D1，此时等效电路如图4所示。电源V1通过电感L1给负载RL供电，电流逐渐增大。

图四

5) 参考图3，当SW断开时，擦除SW，D1导通，等效为导线，等效电路如图5所示。L1上电流逐渐减小，电流能量来源于电感储存的磁场能。而D1则保证了电感电流能够形成回路

图五

6) 在所有输出为电压源的电路中，负载端均会并联大容量的电容，以保证尽量接近电压源的效果。如图6所示，添加输出滤波电容C1，并将机械开关SW替换成 MOSFET 开关T1，就构成了完整的 Buck 斩波电路的主电路。

图六

二、Buck 降压斩波电路的理论计算

当斩波电路中电感电流连续时，输出电压计算有一个简化的方法：
1) 稳态时流经电容的平均电流为零。如果一个周期内电容充电比放电多，那么电容上的电压就会上升，这也就不是稳态；一个周期内电容放电比充电多，那么电容上的电压就会下降，这也不是稳态。
2) 真正对斩波电路计算有用的其实是另一个结论：稳态时电感上平均电压为零。为了让大家能够接受这一“结论”，前面才拿电容来举例子，电感电容的特性是完全对称的。电感上平均电压不为零的话，电感电流就会上升或下降，这也不算稳态。
3) 通过计算开关闭合时电感上电压UL_ON和开关断开时电感电压UL_OFF，就可以很简单的计算出输出电压。

假设斩波电路设计合理，纹波电压较小，输出电压UO基本维持恒压特性：
1) 开关闭合时，参考图7所示的参考电压方向，电感上电压UL_ON为：

（1）

2) 开关断开时，参考图8所示的参考电压方向，电感上电压UL_OFF为：

图8 Buck 电路开关断开时电感等效电路

3) 根据稳态时电感两端电压平均值为零的特性，可推导出式3，其中，D的含义是占空比(Duty Cycle)。通过式4可知，Buck 电路为降压电路，输出电压（电感电流连续时）正比与开关的占空比。

4) 若电感L电流不连续，则TOFF时间段需要分为两段进行分析。即电感有电流时段TOFF1，电感电压为-Uo，电感无电流时段TOFF2，电感电压为0（此时负载依靠滤波电容供电）。通过式5推导可知，输出电压UO值会偏高。

三. Buck 降压斩波电路的仿真

图9所示的 TINA 仿真电路将定量分析 Buck 电路中元件参数对电路的影响。
1) 为简单起见，使用了时间开关 SW1 来模拟 MOSFET 开关，时间开关的占空比设为0.6，具体开关频率根据仿真需要设定。
2) 滤波电容CO串联了电阻RCS，用于模拟电容的等效串联电阻，虽然 TINA 中电容的等效串联电阻参数可以设定，但这里直接串联电阻来仿真直观些。

图9 Buck 电路的 TINA 仿真

首先来仿真滤波电容等效串联电阻RCS对输出电压纹波的影响。
1) 开关频率保持1MHz，同时监测二极管阴极电压VF1和输出电压UO。
2) VF1上电压如果是完美方波，则表示电感电流连续。SW1 闭合时，VF1电压肯定是10V。但 SW1 断开时，VF1电压只有电感电流连续时才会保持在接近0V（忽略SD1的管压降）。
3) 如图10所示，VF1电压为完美方波，所以电感电流连续。RCS取值100mΩ，可以看出UO的纹波电压电压比较明显。进一步分析可以看出，SW1 闭合阶段，UO输出增大；SW1 断开阶段，UO输出降低，呈现锯齿状。纹波电压的来源就是锯齿状纹波电流在RCS上的压降。

图10 100mΩ等效串联电阻时的输出纹波

4) 如图11所示，其他参数均不改变，将RCS将为10mΩ，纹波电压明显降低。以上分析可以看出，直流电源滤波电容的效果不仅是看电容值的大小，而是与电容等效串联电阻直接相关。同种类电容，电容值越大，电容等效串联电阻越小。而同容量钽电容的等效串联电阻要远小于铝电解电容，这是钽电容滤波效果好的根本原因。

图11 10mΩ等效串联电阻时的输出纹波

无论是图10还是图11，VF1的波形都是完美方波，这意味着电感电流连续，输出电压值也接近6V的理论值。下面来讨论电感电流不连续的情况。
1) 如图12所示，将开关频率降为100kHz，VF1的波形不再是完美的方波，这说明电感电流不连续。
2) 虽然RCS取值10mΩ，但是纹波电压却和图10中100mΩ情况差不多，这是因为开关频率降低了10倍，电流起伏时间延长，纹波电流峰值增大，自然纹波电压也增大，基本符合十倍的关系。
3) 输出电压UO达到了7.1V，比电感电流连续时理论值6V要高，符合前面的分析。
4) 图13中，电感电流断续时间段，VF1的电压产生了振铃，其趋势是等于UO。当电感电流不再变化时，UL电压为零，VF1电压当然就等于UO了。

图13 开关频率100kHz时瞬时仿真波形

5) 如图14所示，进一步减小开关频率，电感电流断续的时间更长，可以更明显的看出UO输出电压以达到9V，偏离6V的“理论值”更远。电流断续时间段，VF1的电压在经历振铃以后，保持在9V，直到 SW1 再次闭合后电压钳位至输入电压10V。

图14 开关频率20kHz时瞬时现象仿真波形

图13和图14表明，开关频率会影响电感电流是否连续，这是因为电感、滤波电容、负载一定时，电感电流下降率是一定的，开关频率越高，则 SW1 断开时间越短，电感电流越不易下降到零，从而电流连续。下面的仿真将通过改变电感L实现电感电流连续。
1) 如图15所示，将电感L增大到1mH，维持20kHz的开关频率不变。
2) 电感电流衰减公式如式6所示，电感量越大，电流衰减速度越小。因此，即使开关频率不高，通过增大电感也可以使电感电流连续。

（6）

图15电感1mH时的瞬时现象仿真波形

总结

总结一下以上的讨论：虽然我们一般都希望电感电流是连续的，但是电感量大小，滤波电容，开关频率乃至负载大小都会影响电感电流是否连续。
1) 电感值越大，电流衰减越慢，电流越容易连续。
2) 开关频率越高，TOFF绝对时间就越短，电流越容易连续。
3) 负载越重（电阻值越小），电感电流初值越大，电流越容易连续。想象一下极端情况，如果负载断路，电感电流在开关闭合时也将是零，更不要说开关断开了。这一结论留待读者自行仿真。

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