BUCK電路的組成及工作原理

BUCK電路分析(一)

一、電路組成

如圖1所示、異步BUCK電路主要有MOSFET場效應(yīng)管(Q1)、功率二極管(D1)、電感(L1)、輸入電容(C1)、輸出電容(C2)、負(fù)載(R1)、組成;用MOSFET場效應(yīng)管(Q2)替換功率二極管(D1)就組成了同步BUCK電路，如圖2所示。

圖1 異步BUCK電路

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圖2 同步BUCK電路

BUCK的電路，也稱降壓電路，其基本特征是：

(1)、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、輸入直流、輸出也是直流;

(2)、輸出電壓小于輸入電壓;

(3)、BUCK轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)的是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個比輸入電壓低的電壓并輸出。

在同等條件下、同步BUCK電路與異步BUCK電路相比。同步BUCK電路用更高的轉(zhuǎn)換效率，使用MOSFET場效應(yīng)管(Q2)替換功率二極管(D1)，是因為功率二極管(D1)存在相對較高的電壓降、電流流過時會產(chǎn)生較大的損耗、而MOSFET場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻Rds(on)和 開關(guān)產(chǎn)生的損耗相對低。因而同步BUCK電路效率相對高。

二、工作原理

由圖1、圖2可知，要使BUCK電路輸出電壓。需要控制MOS管的開通與關(guān)斷;而控制方法有PWM脈寬調(diào)制法和PFM調(diào)頻法;以下將以PWM脈寬調(diào)制法來控制MOS的開通與關(guān)斷，并分析在電路在工作中的狀態(tài)、波形、參數(shù)計算與分析。為了方便分析，作如下假定：MOS管、二極管都是理想二極管，導(dǎo)通時相當(dāng)于短路、截止時相當(dāng)于斷路。電感、電容也是理想元件，只考慮其本身的感抗和容抗。BUCK電路的工作狀態(tài)可根據(jù)電感電流是否減少到零 ，可分為連續(xù)電流模式(CCM)、斷續(xù)電流模式(DCM)、臨界電流模式(BCM)。以下將針對不同的工作模式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算分析。

1、連續(xù)電流模式(CCM)

圖3 PWMH 為高 電流流向

如圖3所示，當(dāng)PWMH為高時，(Q1)到導(dǎo)通，(D1)反向截止;直流電壓(Ui)通過(Q1)為電感(L1)儲能并為負(fù)載提供能量，這一過程中由于 Ui > Uo, Ui - Uo 的電壓加在電感上，在電感沒有飽和前，電感電流線性增加，電感儲能;由此可計算電感電流增加量，

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圖3 PWMH 為低 電流流向

圖4所示，當(dāng)PWM為低時，Q1截止，電感電流線性減少，由楞次定律可以電感L1上會產(chǎn)生一個“右正左負(fù)”的感應(yīng)電動勢，此時電感(L1) 電容C2釋放能量通過整流二極管為負(fù)載供電，整流二極管正向?qū)ā?/p>

由電感特性以及上述計算式可知，對于一個電感值固定的電感來來說，電感電流的增加量或者減少量的大小取決于時間長度乘以對應(yīng)時間內(nèi)的電壓，我們稱之為伏秒積;對于一個穩(wěn)定工作的電路，在一個周期之內(nèi)電感的伏秒積必須為零。如果電感電流增加量一直大于減少量，則電感電流會一直增加，不能達(dá)到平衡狀態(tài)。在一個周期內(nèi)電感的平均電壓也為零。

定義PWMH為高時，Q1開通時間為t(on);PWMH為低時，Q1截止時間為t(off);一個PWM周期就是 Q1開通時間與關(guān)斷時間之和，定義Q1開通時間占這個PWM周期的比例定位PWM占空比 D 那么PWM的周期 T 和 頻率 F 就是 ：