BUCK电路工作原理以及参数设计

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什么是Buck电路?


BUCK电路是一种降压斩波器,降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD。


通常电感中的电流是否连续,取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。


BUCK也是DC-DC基本拓扑,或者称为电路结构,是最基本的DC-DC电路之一,用直流到直流的降压变换。


BUCK和BOOST使用的元件大部分相同,但是元件的组成却不尽相同。


如下图所示,BUCK电路中T是全控元件(GTR,GTO,MOSFET,IGBT),当t∈[0,DT]时,T导通。



BUCK电路工作原理以及参数设计_第1张图片



简单的BUCK电路输出的电压不稳定,会受到负载和外部的干扰,当加入PID控制器,实现闭环控制。


可通过采样环节得到PWM调制波,再与基准电压进行比较,通过PID控制器得到反馈信号,与三角波进行比较,得到调制后的开关波形,将其作为开关信号,从而实现BUCK电路闭环PID控制系统。


BUCK的基本结构



BUCK电路工作原理以及参数设计_第2张图片



从电路可以看出,电感L和电容C组成低通滤波器,此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过,而抑制us(t)的谐波分量通过;


电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。



电路工作频率很高,一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小,相对于电容上输出的直流电压Uo有:电容上电压宏观上可以看作恒定。

电路稳态工作时,输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成,宏观上可以看作是恒定直流,这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。



一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时,电容电压升高,导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加,使电容电压上升速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,此时电压维持不变;

反之,如果一个周期内放电电荷高于充电电荷,将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小,使电容电压下降速度减慢,这种过程的延续直至达到充放电平衡,最终维持电压不变。

这种过程是电容上电压调整的过渡过程,在电路稳态工作时,电路达到稳定平衡,电容上充放电也达到平衡,这是电路稳态工作时的一个普遍规律。



开关S置于1位时,电感电流增加,电感储能;而当开关S置于2位时,电感电流减小,电感释能。假定电流增加量大于电流减小量,则一个开关周期内电感上磁链增量为:


03


此增量将产生一个平均感应电势:

04


此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度,最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零;一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。

这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量(磁链平均增量)为零的现象称为:电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。


BUCK基本结构


将快速通断的晶体管置于输入与输出之间,通过调节通断比例(占空比)来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成,方波脉冲的平均值就是直流输出电压。


BUCK电路工作原理以及参数设计_第3张图片


Q导通:

输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电,并同时对电感器L充电。电感相当于一个恒流源,起传递能量作用。电容相当于恒压源,在电路里起到滤波的作用。


BUCK电路工作原理以及参数设计_第4张图片


Q断开:

电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路,对负载R继续供电,从而保证了负载端获得连续的电流。


BUCK电路工作原理以及参数设计_第5张图片



BUCK电路的参数设计


电感的参数

电感的选择要满足直到输出最小规定电流时,电感电流也保持连续。

在临界不连续工作状态时:

buck1


所以11越大,进入不连续状态时的电流就越小。


电容的参数

电容的选择必须满足输出纹波的要求。

电容纹波的产生:

1. 电容产生的纹波: 相对很小,可以忽略不计;

2. 电容等效电感产生的纹波:在300KHZ~500KHZ以下可以忽略不计;

3. 电容等效电阻产生的纹波:与esr和流过电容电流成正比。为了减小纹波,就要让esr尽量的小。



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