硬件工程师-BUCK开关电源设计

一、电感的伏安特性

 电感线圈通电之后，会产生磁场，磁场是有一定极性的，而且磁场分布，是一个封闭的回路。在线圈的内部磁力线是比较密集的，磁场的强度是比较强的，外面空气中的的这个磁力线是比较稀疏的，磁场从强度比较弱。

计算磁场大小可以用上面这个公式， 磁感应强度B来表示。u0是真空磁导率，N是线圈的匝数，I是通过这个线圈的的电流大小。电生磁的过程就是由I来生成这个B。

可以加入磁芯提高磁感应强度

 B磁感应强度，u磁芯的磁导率，N线圈匝数，I是通过线圈的电流大小。

电感在磁场里面存储以及传递的能量可以用磁通量间接的表示它。

 Ae横截面，B磁力线密度，Φ磁通量。在电感生产出来后，电感的磁芯是确定的，磁导率是确定的，横截面积是确定的，剩余电流与磁通量是不确定，磁通量与电流成正比，电流越大磁通量越大。

 大致衡量电感存储的能量，匝数*磁通量。NΦ=LI表示的电流产生的磁场。

 磁生电

 感生电动势大小E=磁通变化量/磁通变化时间，这个表示的1匝线圈产生的感生电动势

 整个电感线圈产生的感生电动势UL=匝数*磁通变化量/磁通变化时间

 电感两端的感生电动势与电流的变化量成正比，

二、Buck变换器原理

上面是Buck结构原理图 

  Buck变换器可以把一个高的直流电压变换成一个低的直流电压。

主要用到四个元件：1、功率开关 2、储能电感  3、续流二极管  4、储能电容。

开关闭合电感电压UL=Uin-Uo

开关断开电感电压UL=Uo

 根据电磁感应定律，电感两端产生的感生电动势=匝数*磁通变化量/磁通变化时间，推到一下，磁通的变化量=电感产生的感生电动势*变化时间。

假设某一时刻，这个电路工作是稳定的，也就是说开关在闭合的时候所存储的能量与开关断开的时候所释放的能量是相等的。

 输出电压=输入电压*开关闭合时间/开关闭合时间+开关断开时间（开关周期）称作为开关的导通时间的占空比用D来表示他，所以输出电压=输入电压*占空比

 电感的平均电流=最小电流+最大电流-最小电流/2

电感的电流模式

1、输入电压、输出电压、开关频率不变 （ 即周期和占空比不变 ）

2、不限制电流峰值 （ 即允许电流波动幅度可大可小 ）

3、改变 L 值

1、电流变化快，幅度大 

2、电感电流工作在临界导电模式（ BCM ）

3、电感量更小即进入断续电流模式（ DCM ）

4、连续导电模式（ CCM ）

结论         改变 L 值，将改变电流的纹波

续流二极管及滤波电容的电流 

BUCK变换器的稳压控BUCK 

 输出电压的纹波与电容的容量有关，电容越大纹波越小，与负载的电流有关，负载电流越大，纹波越大。

输出电压不稳定的原因有以下几点：

1、输人电压变化：输入电压变化，输出电压也会跟着改变

2、负载变化：负载的电阻发生变化，电流不变，电压就可能发生变化

3、元件参数漂移：工作一段时间后，元件发热，导致一些器件不稳定

4、外界干扰

 我们需要随时去调节输出电压。控制思路：

 稳压控制过程

 

 分为3个环节

第一步：先从Uo引出一根线引到输入误差放大器的反向输入端。

第二步：跟误差放大器的同相输入端输入的电压参考值进行比较，这个电压参考值就是我们想要得到的电压。参考电压剪掉输入电压，得到差值进行放大，这样就得到了，输入电压是偏大了还是偏小了。输出到PWM比较器的同相输入端上

第三步：PWM比较器是出去PWM控制信号的，通过比较同相输入端和反向输入端，进行对PWM波的调节，PWM反向输入端会输入一个周期性的锯齿波信号，PWM电压比较器，比较同相输入端电压与方向输入端的电压，如果同相输入端的电压高于反向输入端电压，就会输出一个高电平反之输出低电平，输出只有高低电平两种状态。

 稳压调节:Uo上升，Ue减小，D减小，Uo降低，PWM波高电平时间减小，输出降低

                Uo下降，Ue上升，D增大，Uo上升，PWM波高电平时间增多，输出升高

PWM控制器（TL494）

 TL494内部结构

 Uref接参考电压，接误差放大器的同相输入端

Usam接采样电压，接误差放大器的反向输入端

第14脚输出基准电压5V可以直接接入到误差放大器的同相输入端，提供5V的基准电压

PWM比较其中一个输入端，同相输入端来自误差放大器的输出端，另外一个反向输入端是来自振荡器产生的一个锯齿波。PWM输出信号是由4路来决定的，死区时间比较器，PWM比较器，欠压保护输出，通过或逻辑进行统一处理。

振荡器工作频率由外部的定时电阻与定时电容来确定

振荡器的工作频率计算公式

 输出由13引脚来决定 单端输出还是双端输出PWM输出信号，低电平单端输出，高电平双端输出。

TL494内部控制逻辑

 TL494输出信号是由4路信号决定的：

1、PWM比较器

2、死区时间

3、欠压保护

4、欠压保护

通过或逻辑运算，来统一控制PWM占空比的信号，只要有一个信号符号断开条件，我们这个开关都是会断开的，或运算，只要有一个输入为高电平，输出即为高电平。

死区时间

 

 Udt：死区时间设置

Uj：TL494内部产生的锯齿波

当一开始的时候Udt高于Uj，比较器输出高电平。就使得或运算输出为高。使得开关管是在一个断开的状态。

过了一段时间后Udt小于Uj，比较器输出低电平。还需要比较另外3个比较输出。

死区时间：是为了，刚刚开始上电的时候，有一个静默的时间，避免这个时候受其他信号的干扰，避免开关误操作。

 我们可以在外面外接一个RC电路，来控制死区时间的长度，在Udt这个点上面，一开始电压很高，后面慢慢下降变成内部的Udt电压0.12V。

 PWM比较器

 PWM比较器的同相输入端是Ue，来自误差放大器的输出端

 PWM比较器的反相输入端是Uj，来自内部振荡器的输出端

当死区时间过去了，死区时间比较器输出为低电平，现在就要看Ue

在一开始的时候，Ue大于Uj锯齿波，pwm比较器输出高电平

后面Ue小于Uj锯齿波，PWM比较器输出低电平

 欠压保护，一般都是输出都是低电平，只有输入电压过低，低于4.9V的时候输出为高电平 。

 为了实现，1路输出或者2路输出，TL494采用了一个D触发器

当OC为0时

当OC为1时

 第一个波形为锯齿波

实线带有梯形的线是，死区时间控制线，梯形是由我们外部加入进去的，剩下的0.12V是芯片内部的。

误差信号为虚线

1与2相或的结果如图

 1和2只要任意有一个比较输出为高，输出都为高，控制开关截止。

PWM控制器内置多种保护功能常常采用“或”逻辑控制。

 BUCK电路举例

主回路器件

1、 输入10-40V

2、开关管采用PNP型的开管（中功率型）B极给低电平就可以导通。

3、储能电感

4、输出端5V1A

5、续流二极管

6、滤波电容

TL494外围器件配置参数

1、图中只有一个开关管，所以OC13脚配置为低电平，单端输出。

2、采用TL494集电极输出，将8和11脚并联使用，发射极9和10接地。

 3、采用PNP三极管，低电平导通，高电平截止

4、R1和R2提供偏置电流，R1使得三极管可以工作在稳定状态，不会误导通，R2限流

5、死区时间控制4脚Dt，拉低不需要开机软启动功能，死区时间就是百分之4，PWM输出最大96%

 6、内部振荡器的频率控制5、6引脚，定时电容定时电阻来配置计算公式如下图

 7、稳压控制，由R8与R5来进行配置

R8一端接输出电压，一端接入到TL494的1脚内部误差放大器中

内部误差放大器的反向输入端接参考电压，参考电压就是希望他Vo输出的电压，我们希望他输出一个5V电压，所以在2号引脚上要给他一个5V的电压。连接到TL494内部的Vref，Vref会提供一个5V的基准电压，不会随着输入电压的变化而变化，就是一个基准的5V电压。

因为2脚引脚输入误差放大器的输入电阻远远高于5.1K几乎没有电流流过，所以2引脚电压就为5V

8、 对于误差放大器，通常会设置一个可选的频率补偿电路。

什么是频率补偿：也叫相位补偿，指的是误差放大器对某个频率以上的信号，他会产生比较大的相移就是相位的偏移，如果超过了180°，如果是反向的放大器就变成了同相的放大器，这个时候输出信号就变得不稳定。因此就会影响到控制电路的稳定性。

加入频率补偿，或者相位补偿，就使得输入信号与输出信号的相位差减小，保证他不会超过180°

 9、过流保护

 防止电流过大，假如说我输出电流是1A，结果输出电流为1.2A，这个时候我就将PWM信号关闭

 连接到另外一个误差放大器

 首先给他一个参考电压，加在误差放大器的反向输入端，这参考电压由R6与R7进行分压，大于是0.1428V，很小的参考电压，要采用的是输出电流，因为我们比较的是一个电压，所以我们需要将电流转换为电压进行比较。

 整个电路回路是这样的，会经过R10a与R10b，就会在这个电阻上形成压降，电阻下端与R7下端是一起的公共端，误差放大器的同相输入端接在电阻上端，获得电阻上端的电压，与参考电压相比较，当输出电流增加的时候，电阻上端的电压也会增加，当电压增加到比反向输入端还高的时候，就意味着，电流达到了参考电压除以电阻并联后的阻值=0.1428*0.11R=1.298A，达到设定的值就要关断三极管。

 过流值的公式可以用下面这个公式来计算

 过流保护电流=Vpin15（pin15电压）/R10（过流保护电阻）

要首先确定参考电压，再来确定过流保护电阻的阻值

因为总电流是要流过电阻的，所以电阻的功耗会很大，所以电阻的阻值要尽可能的小，参考电压也要选择一个很小的参考电压

物料清单（BOM）

 TL494工作点测试

1、振荡波形及频率（锯齿波）通过第五脚观察波形，输出的锯齿波是否是正常的

通过公式计算出来的频率为23.4Khz，通过示波器测量出来的频率为22.73khz，因为电容电阻都有一定的误差，所以要以实际计算出来的值为准。

周期为44us，正脉宽为21.6us。

 

 通过TL494的数据手册知道，振荡器的输出电压为3V

 2、单端输出PWM信号（死区时间）

 

测试出来的PWM输出电压最大为 560mv而我们使用的是PNP三极管，560mv是不能关断三极管的，因为TL494的8、11脚为输出引脚看芯片内部图知道是内部三极管的集电极，如果没有加上拉电阻无法正常输出。

 

 焊接上，上拉电阻R1、R2，此时最大电压为12.4V，频率为26.04Khz，周期为38.4us，负周期占空比为87.5%。我们计算出来的最大占比D=96%还是有一定从差距。

波形（TL494集电极开路，不能直接驱动开关管，需要接上上拉电阻）

频率（26.04khz）

峰值电压（12.4V，可以截止PNP三极管）

占空比（87.5%）

输入电压设定在10~30V，在最低输入电压为10V的时候，输出为5V，占空比为50%，最大占空比为87.5%满足，在输入电压为30V的时候，输出为5V，占空比为16.6%满足。

 3、14脚输出的电压（内部基准电压）

 波形（直线）

电压平均值（5.27V）

输入电压在10~30V之间变化时，基准电压保持不变（5.27V）

开关管及电感测试

元件安装

测试内容

1、开关管集电极电压（与PWM反相）

Vc_on=Vin        Vc_off=-VL

2、输出电压（由电感电流决定）