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第第頁(yè)Buck、Boost電路原理詳解DC/DC電源的基本拓?fù)浜驼{(diào)制方式(DC/DC)(電源)指的是直流轉(zhuǎn)直流的電路,有升壓降壓兩種電路,按理來(lái)說(shuō),(LDO)也是(DC)DC電源,但行業(yè)內(nèi)只認(rèn)為以開關(guān)形式實(shí)現(xiàn)的電源為DC/DC電源。
一,DC/DC基本拓?fù)?/p>
Buck、Boost型
電感電壓伏秒平衡定律
一個(gè)功率變換器,當(dāng)輸入、負(fù)載和控制均為固定值時(shí)的工作狀態(tài),在(開關(guān)電源)中,被稱為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下,功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律:對(duì)于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器,有源開關(guān)導(dǎo)通時(shí)加在(功率電感)上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截至?xí)r加在該電感上的反向伏秒。
1.BUCK降壓型
先來(lái)看一下原理圖
BUCK(電路原理)和(信號(hào))轉(zhuǎn)變過(guò)程
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)高電平使得NMOS管S1導(dǎo)通,忽略MOS管的導(dǎo)通壓降,電感(電流)呈線性上升,此時(shí)電感正向伏秒為:V*Ton=(Vin-Vo)*Ton
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)低電平使得NMOS管S1截至?xí)r,電感電流不能突變,經(jīng)過(guò)續(xù)流(二極管)形成回路(忽略二極管壓降),給輸出負(fù)載(供電),此時(shí)電感電流下降,此時(shí)電感反向伏秒為:V*Toff=Vo*(Ts-Ton)
根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得:(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)
即Vo=D*Vin(D為占空比)
2.BOOST升壓型
和BUCK電路類似的分析方法,當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí),電感的正向伏秒為:Vin*Ton;當(dāng)MOS管截至?xí)r,電感的反向伏秒為:(Vo-Vin)*(Ts-Ton)
根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得:Vin*Ton=(Vo-Vin)*(Ts-Ton)
即Vo=Vin/(1-D)
(matlab)(仿真)圖:
matlab仿真圖
仿真Vout升壓過(guò)程
3.(同步整流)技術(shù)
由于二極管導(dǎo)通時(shí)至少存在0.3V的壓降,因此續(xù)流二極管D所消耗的功率將會(huì)稱為DC/DC電源主要功耗,從而嚴(yán)重限制了效率的提高。為解決該問(wèn)題,以導(dǎo)通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。然后通過(guò)(控制器)同時(shí)控制開關(guān)管和同步整流管,要保證兩個(gè)MOS管不能同時(shí)導(dǎo)通,負(fù)責(zé)將會(huì)發(fā)生短路。
二、DC/DC電源調(diào)制方式
DC/DC電源屬于斬波類型,即按照一定的調(diào)制方式,不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān),通過(guò)控制開關(guān)通斷的占空比,可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)制方式有三種:PWM方式、PFM方式、PWM與PFM的混合方式。
1.PWM(脈沖寬度調(diào)制)
PWM采用恒定的開關(guān)頻率,通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下,開關(guān)頻率恒定,即不存在長(zhǎng)時(shí)間被關(guān)斷的情況。
優(yōu)點(diǎn):噪聲低、效率高,對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)速度快,且支持連續(xù)供電的工作模式。
缺點(diǎn):輕負(fù)載時(shí)效率較低,且電路工作不穩(wěn)定,在設(shè)計(jì)上需要提供假負(fù)載。
2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)
PFM通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。PFM工作時(shí),在輸出電壓超過(guò)上(閾值電壓)后,其輸出將關(guān)斷,直到輸出電壓跌落到低于下閾值電壓時(shí),才重新開始工作。
優(yōu)點(diǎn):功耗較低,輕負(fù)載時(shí),效率高且無(wú)需提供假負(fù)載。
缺點(diǎn):對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)較慢,輸出電壓的噪聲和紋波相對(duì)較大,不適合工作于連續(xù)供電方式。
三、DC/DC(芯片)的內(nèi)部構(gòu)造
接下來(lái)我們來(lái)看看DC/DC(電源芯片)內(nèi)部的單元模塊,并且給大家看看基本拓?fù)渑c電源芯片的聯(lián)系,先來(lái)看一個(gè)圖。
一款電源背光(IC)的內(nèi)部原理框圖
1.(Vr)ef電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下,可以忽略不計(jì);電容等效電阻產(chǎn)生的紋波:與ESR和流過(guò)電容
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