藍(lán)宙電子智能車培訓(xùn)之硬件篇第2講課件

智能車培訓(xùn)之硬件篇第2講BUCK電路開關(guān)電源拓?fù)?/p>

開關(guān)電源有三種拓?fù)洌築UCK、BOOST和BUCK-BOOST，這三個(gè)拓?fù)涫欠歉綦x的，也就是說(shuō)輸入和輸出共地。那些隔離的拓?fù)潆娫措娐菲鋵?shí)也是由這三種非隔離的拓?fù)溲葑兌鴣?lái)的。所謂的電源拓?fù)淦鋵?shí)就是指開關(guān)管、二極管、輸出電感、輸出電容之間的連接方式，不同的連接方式對(duì)應(yīng)著不同的拓?fù)?。BUCK拓?fù)銪UCK基本原理

在BUCK正常的工作期間，Q1在驅(qū)動(dòng)電路的控制下會(huì)不停地開和關(guān)，這種不停的開關(guān)動(dòng)作會(huì)在Q1、CR1和L的交點(diǎn)處產(chǎn)生脈沖，經(jīng)過(guò)L/C濾波之后產(chǎn)生直流輸出電壓VO。BUCK工作狀態(tài)-OFF

當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，即處于OFF狀態(tài)時(shí)，這時(shí)加在電感兩端的電壓為負(fù)的，電感兩端電壓的極性是左負(fù)右正，與Q1導(dǎo)通時(shí)電感兩端電壓極性是相反的，所以電感電流逐漸減小。電感兩端電壓極性反向直到CR1正向?qū)ā＿@時(shí)電感L左端電壓變成-(Vd+ILXRL)，這里Vd是二極管CR1的壓降。電感L右端的電壓依然是輸出電壓VO。在OFF狀態(tài)，電感兩端的電壓是常數(shù)值，等于VO+Vd+ILXRL。OFF狀態(tài)下的等效電路BUCK推論在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流在ON期間的增加情況與在OFF期間電感電流減小的情況一定是相等的。否則，電感電流在幾個(gè)周期之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈增加或者凈減少的情況，這樣將不能形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)。

正確的電源拓?fù)浔仨殱M足△IL(+)=△IL(-)，若不滿足此方程，則不是正確的拓?fù)?。BUCK關(guān)系式

從上面VO的關(guān)系式中可以看出，VO實(shí)際上可以通過(guò)占空比D來(lái)調(diào)節(jié)，而且輸出電壓VO總是比輸入電壓小，因?yàn)檎伎毡菵的大小是在0~1之間。通過(guò)常識(shí)我們知道，VDS，Vd以及RL都很小，幾乎可以忽略不計(jì)。這里假設(shè)VDS，Vd和RL為0的話，則上式可以簡(jiǎn)化為VO=VI*D或者說(shuō)D=VO/VI。通過(guò)前面兩個(gè)圖可知：整個(gè)反復(fù)開關(guān)的工作期間，即不論是處于ON狀態(tài)還是處于OFF狀態(tài)，電感電流都是流向輸出電容與負(fù)載的交點(diǎn)處。因此在整個(gè)電源開關(guān)期間，電感電流的平均值是等于輸出電流的。

從另一個(gè)角度考慮也能說(shuō)明這個(gè)關(guān)系，就是流向輸出電容的電流肯定為0，因此輸出電流IO也是等于電感平均電流IL(Avg)的。 即IL(Avg)=IO。

流過(guò)開關(guān)管的平均電流為IL(Avg)*D=IO*D； 流過(guò)二極管的平均電流為IL(Avg)*(1-D)=IO*(1-D)；

BUCK電感計(jì)算舉例

假設(shè)變換器的輸入電壓范圍為15~20V，輸出電壓為5V，最大輸出電流為5A。如果開關(guān)頻率是200kHz，那么電感的推薦值應(yīng)該是多大？解：1.BUCK變換器，最惡劣的情況，即電感電流最大的情況應(yīng)該是在輸入電壓為最大的時(shí)候出現(xiàn)，因此這里應(yīng)該在輸入電壓為20V的時(shí)候考慮電感的計(jì)算。2.占空比D=VO/VIN=5/20=0.25；3.周期是1/f=1/200kHz=5us；4.關(guān)斷時(shí)間TOFF是T*（1-D）=3.75us；5.伏秒積VON*TON=VOFF*TOFF=18.75us；6.套用公式7.IL=IO=5A;L=(VOFF*TOFF)/(r*IL)=18.75/(0.4*5)=9uH；這里要注意單位的變換。8.電感電流的額定值最少是（1+r/2）*IL=1.2*5=6A;因此，選擇電感時(shí)應(yīng)該選擇9uH、6A的電感，或者與這個(gè)參數(shù)相近的電感。BUCK元件選擇二極管選擇

頻率在幾百KHz范圍內(nèi)，選擇肖特基二極管。在Ton階段，二極管承受最大反向電壓，其值為VI?？紤]到設(shè)計(jì)冗余，二極管耐壓至少選擇VI_MAX的1.2倍。二極管的平均電流ID_AVG=IO×(1-D)。二極管額定電流至少選擇ID_AVG的2倍以上

(3)輸出電容選擇對(duì)于連續(xù)模式下的BUCK電源，輸出電容容值取決于電感紋波電流△IL，開關(guān)頻率fS以及輸出電壓紋波△VO，具體的計(jì)算可以參考下式進(jìn)行：(2)MOS管選擇

TOFF階段，開關(guān)管承受的最大電壓為VI

，耐壓值至少選擇VI_MAX的1.2倍，如果MOS管的DS兩端有尖峰，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。開關(guān)管的電流至少選擇開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電流的2倍以上，電流較大的需要注意散熱處理

BUCK設(shè)計(jì)-NCP3020應(yīng)用原理圖datasheet上NCP的典型應(yīng)用電路BUCK設(shè)計(jì)-NCP30207.2V轉(zhuǎn)6V電路原理圖BUCK設(shè)計(jì)-NCP30207.2V轉(zhuǎn)6V電路的設(shè)計(jì)步驟步驟一：計(jì)算占空比D；D=VO/VI=6/7.2=0.8;

步驟二：計(jì)算電感值公式L=(VON*D)/(r*IL*f)——適用于任何拓?fù)銿ON=VI-VO=1.2V；IL=IO=0.8A（最大不超過(guò)1A，這里按照0.8A計(jì)算）；f=300kHz。把這些參數(shù)代入L的公式可得，L=10uH;我們?cè)O(shè)計(jì)所要選擇的電感感值必須要大于10uH，藍(lán)宙所設(shè)計(jì)的原理圖中采用的是100uH，主要原因是我們有現(xiàn)成的100uH的物料，不用重復(fù)采購(gòu)。步驟三：選擇MOS管;步驟四：計(jì)算輸出電容值