胡玉葉

摘要：分析了開(kāi)關(guān)電源基本電路工作時(shí)VT1基極輸入正脈沖、負(fù)脈沖與電壓波形的關(guān)系，得到電壓反饋控制開(kāi)關(guān)管相應(yīng)的占空比可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。二極管的選擇，電感計(jì)算與選擇，設(shè)計(jì)DC-DC電路。

關(guān)鍵詞：DC-DC電路；電壓波形；電源輸出電壓

1.穩(wěn)壓控制分析

開(kāi)關(guān)電源的基本電路如圖所示。在該電路中，VT1為開(kāi)關(guān)管，VD1為續(xù)流二極管，L為儲(chǔ)能電感，C為濾波電容，RL為負(fù)載電阻。

1.1 開(kāi)關(guān)電源基本電路的工作原理：

1.1.1 VT1基極輸入正脈沖

開(kāi)關(guān)管VT1正偏飽和導(dǎo)通，如下圖昨所示輸出的電壓ui一路加到續(xù)流二極管VD1的負(fù)極上，使其反偏截止；另一路經(jīng)L、C、RL形成回路，電流經(jīng)L對(duì)電容C進(jìn)行充電，也對(duì)RL負(fù)載供電。線圈自感電壓為左“+”右“-”，以阻礙電流的增大。

1.2.2 VT1基極輸入負(fù)脈沖

開(kāi)關(guān)管VT1反偏截止如上圖右所示，從而切斷了輸入電壓 ui向負(fù)載供電的通路。但由于電感中的電流不會(huì)突變，在電感中會(huì)感應(yīng)出右“+”正、左“-”負(fù)的電壓。該電壓就會(huì)使續(xù)流二極管正偏導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感L中的能量就會(huì)通過(guò)VD1導(dǎo)通的二極管繼續(xù)向電容C充電，同時(shí)也為負(fù)載提供工作電流，以維持負(fù)載電流的連續(xù)性。電路要求電容耐壓值高，一般不小與輸入電源2倍。

下圖是電路圖中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。

1.2 電壓波形

占空比大電源輸出電壓Uo大，但電壓波動(dòng)也大；相反，占空比小電源輸出電壓Uo就小。當(dāng)占空比等于0.5時(shí)，電源輸出電壓為脈沖電壓的平均值，且電壓較穩(wěn)定。通過(guò)電壓反饋控制開(kāi)關(guān)管相應(yīng)的占空比可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。

開(kāi)關(guān)電源有三種拓?fù)洌築UCK（降壓變換器）、BOOST（升壓變換器）、BUCK-BOOST（逆向變換器）。

2. DC-DC電路設(shè)計(jì)

2.1 BUCK電路基本結(jié)構(gòu)

從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾 波器設(shè)計(jì) 的原則是使 us（t）的直流分量可以通過(guò)，而抑制 us（t） 的諧波分量通過(guò)；電容上輸出電壓 uo（t）就是 us（t） 的直流分量再附加微小紋波uripple（t）。電路工作頻率很高，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple（t） 很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓Uo有|uripple（t）|<

一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過(guò)程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放 電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過(guò)程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過(guò)程是電容上電壓調(diào)整的過(guò)渡過(guò)程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。

2.2 BUCK元件選擇

2.2.1 二極管的選擇

頻率在幾百赫茲范圍內(nèi)，選擇肖特基二極管。在Tom階段，二極管承受最大的反向電壓，其值為V1?？紤]到設(shè)計(jì)冗余，二極管耐壓至少選擇V1max的1.2倍。如果二級(jí)管兩端有尖峰，則需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。二極管的平均電流I=Io*（1-D）。二極管額定電流至少選擇I的2倍以上，電流較大的需要注意散熱處理，可以適當(dāng)選擇較大的封裝體積。

2.2.2 電感計(jì)算與選擇

電感是開(kāi)關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來(lái)平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點(diǎn)是流過(guò)其上的電流有“很大的慣性”。換句話說(shuō)，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰。

降壓型開(kāi)關(guān)電源的電感選擇：

為降壓型開(kāi)關(guān)電源選擇電感器時(shí)，需要確定最大輸入電壓、輸出電壓、電源開(kāi)關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。

下面以本設(shè)計(jì)為例說(shuō)明降壓型開(kāi)關(guān)電源電感值的計(jì)算，首先假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為200kHz、輸入電壓范圍16V±10%、輸出電流為3A、最大紋波電流30mA。

最大輸入電壓值為17.6V，對(duì)應(yīng)的占空比為：D=Vo/Vi=5/17.6=0.284

其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為： V=Vi-Vo=12.6V

計(jì)算電感為：L= （V* D）/（K*I）=（12.6*0.284）/（200000*30）= 39.64uH

計(jì)算考慮誤差的感應(yīng)系數(shù)，考慮到與標(biāo)準(zhǔn)之間20%的偏差和在額定電流下會(huì)有10-35%降幅：L=39.64μH/（0.8×0.65）=45μH， 再考慮到工作在連續(xù)電流模式下，因此感應(yīng)系數(shù)調(diào)高到47μH。

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