降壓轉(zhuǎn)換電路的工作原理及設(shè)計步驟

大家好，我是李工，創(chuàng)作不易，希望大家多多支持我。今天給大家分享的是降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。主要是關(guān)于：降壓轉(zhuǎn)換電路工作原理、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計步驟。

一、降壓轉(zhuǎn)換器工作原理

降壓轉(zhuǎn)換器是一種電壓輸出低于電壓輸入的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，也被稱為降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器只有 4 個部分，主要是開關(guān)(Q1)、二極管(D1)、電感(L1)和電容濾波器(C1)。輸入電壓Vin必須高于輸出電壓 Vout 才能成為降壓轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換電路降壓轉(zhuǎn)換器用作電壓調(diào)節(jié)器，同時利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體部件的開關(guān)動作。Q1 會不斷開關(guān)，D1 充當(dāng)續(xù)流二極管，L1 將充電和放電，而 C1 將存儲能量。降壓穩(wěn)壓器是一種低損耗穩(wěn)壓器，如果設(shè)計得當(dāng)，效率可達 90% 以上。

降壓轉(zhuǎn)換電路工作原理

二、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計

降壓轉(zhuǎn)換器通過連續(xù)打開和關(guān)閉 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體開關(guān)來工作。開關(guān)的開啟和關(guān)閉由占空比決定。降壓轉(zhuǎn)換器的理想占空比很簡單：占空比 = VOUT / VIN1、降壓轉(zhuǎn)換器基本功能– PWM 為高電平當(dāng) PWM 處于高電平狀態(tài)時，Q1 將在飽和狀態(tài)下導(dǎo)通(電壓降非常低)。D1 將被反向偏置并且不參與電流環(huán)路。電流將從 VIN 流向 Q1 的通道，然后為 L1 充電，一部分為 C1 充電，最后主電流路徑將流向負(fù)載。

降壓轉(zhuǎn)換器此時，L1 將充電，點側(cè)將處于較高的電位，L1 的電流將線性上升。2、降壓轉(zhuǎn)換器基本操作– PWM 為低電平當(dāng) PWM 為低電平時，Q1 將關(guān)閉，不再是電流環(huán)路的一部分。電感 L1 的點側(cè)將變?yōu)樨?fù)電位，因為 L1 將反轉(zhuǎn)極性但保持相同的電流方向。電流路徑將從 D1 到此時正在放電的 L1，然后到負(fù)載。此時，C1 能量也將有助于提供負(fù)載的需要。

降壓轉(zhuǎn)換器

三、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計教程-各元器件取值

1、電感紋波電流

2、占空比

3、電感 RMS 電流

4、電感直流電流推導(dǎo)

5、開關(guān) RMS 電流導(dǎo)數(shù)

6、開關(guān)直流電流導(dǎo)數(shù)

7、二極管 RMS 電流推導(dǎo)

8、二極管直流電流推導(dǎo)

9、開關(guān)和二極管電壓推導(dǎo)

10、開關(guān)功率損耗推導(dǎo)

11、開關(guān)散熱注意事項

12、二極管功率損耗推導(dǎo)

13、二極管散熱注意事項

14、電感功率損耗推導(dǎo)

15、電容紋波電流推導(dǎo)

16、效率方程推導(dǎo)

17、電路實例

1、電感紋波電流要導(dǎo)出電感電流方程，了解其波形很重要。順便說一下，降壓轉(zhuǎn)換器可分為 CCM、TM 或 DCM。CCM 代表連續(xù)導(dǎo)通模式，而 TM 代表過渡模式或有時稱為邊界模式。另一方面，DCM 代表不連續(xù)導(dǎo)通模式。CCM 和 TM 具有相同的分析，而 DCM 需要不同的分析。對于高功率應(yīng)用，不太可能有意在 DCM 模式下運行降壓轉(zhuǎn)換器。這將導(dǎo)致非常高的損失并且不切實際。但是，降壓轉(zhuǎn)換器有時會進入 DCM 模式，此時負(fù)載很輕。因此，設(shè)計點或組件選擇將基于重載，這主要是在 CCM。因此，在這個推導(dǎo)中，我們將考慮 CCM 操作。下面的綠色是電感在 CCM 下工作的電流波形。當(dāng) PWM 信號為高電平時，它線性上升。然后，當(dāng) PWM 信號為低電平時，它會線性減小。

降壓轉(zhuǎn)換器有時會進入 DCM 模式當(dāng) PWM 為高電平時，分析將是：

降壓轉(zhuǎn)換電路要使用的關(guān)鍵方程是電感兩端的電壓，即：VL = LX di / dt

電感紋波電流計算公式當(dāng)PWM為低電平時，分析為：

降壓轉(zhuǎn)換電路

di_Ton 和 di_Toff 都會給出相同的結(jié)果。2、占空比推導(dǎo)如果你檢查電感電流波形，則上升和下降幅度相同。因此，上面的兩個方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等，我們得出了最終的占空比。

占空比公式3、電感 RMS電流推導(dǎo)我們將從以下波形中的電感 RMS 電流開始，即 di 和 Imin 的 RMS 之和。

降壓轉(zhuǎn)換電路

電感 RMS電流推導(dǎo)公式4、電感直流電流推導(dǎo)下一個降壓轉(zhuǎn)換器電感設(shè)計公式將針對直流電流。但是，如果你仔細觀察降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，就會發(fā)現(xiàn)電感器與輸出負(fù)載串聯(lián)。因此，電感電流的直流電平與負(fù)載的直流電平相同。5、開關(guān) RMS 電流推導(dǎo)降壓轉(zhuǎn)換器上的開關(guān)可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。這里使用 MOSFET，因為它是中低功率應(yīng)用中最流行的一種。MOSFET 的電流波形如下所示。

MOSFET 的電流波形Q1 的 RMS 電流是面積 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形，A2是矩形。1)A1 區(qū)域的 RMS

A1 區(qū)域的 RMS公式2)A2 區(qū)域的 RMS

A2 區(qū)域的 RMS公式因此，開關(guān)電流的 RMS 為

開關(guān)電流的 RMS簡化后消除 Imax：

開關(guān)電流的 RMS 公式6、開關(guān)直流電流推導(dǎo)MOSFET 的 RMS 電流始終高于 DC 電流，它是用于計算功耗以獲得最壞情況的值。然而，無論出于何種原因，設(shè)計師都可能需要 DC 電平。因此，讓我們將其包含在此降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程中?？傊绷麟娖揭彩巧鲜霾ㄐ沃?A1 和 A2 的直流電平之和。

重寫方程以排除 Imax

7、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程——二極管 RMS 電流推導(dǎo)參考下面的波形，我們可以計算出二極管的 RMS 電流。只有當(dāng) MOSFET 不導(dǎo)通時，二極管才會導(dǎo)通。

MOSFET波形圖

二極管 RMS 電流公式

二極管 RMS 電流公式8、二極管直流電流推導(dǎo)繼續(xù)使用上述波形來確定二極管的直流電流：

二極管直流電流公式9、開關(guān)和二極管電壓推導(dǎo)

降壓轉(zhuǎn)換電路VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假設(shè)為 VIN 的 40-70%。VD1 最大值 = VIN 最大值 + VspikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假定為 VIN 的 50-120%。10、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程——開關(guān)功率損耗推導(dǎo)開關(guān)功率損耗由兩個因素組成。一是導(dǎo)通損耗，二是開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗是由于開關(guān)上的固定電壓降引起的，而開關(guān)損耗是由于開關(guān)的開關(guān)動作引起的。這里使用 MOSFET，因此，貝洛方程適用于 MOSFET。1)傳導(dǎo)損耗

傳導(dǎo)損耗公式2)開關(guān)損耗

開關(guān)損耗公式3)總 MOSFET 功率損耗

總 MOSFET 功率損耗公式11、開關(guān)電源應(yīng)力和散熱注意事項開關(guān)的功率應(yīng)力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(開關(guān)未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tamax – 最高工作環(huán)境溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結(jié)溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(開關(guān)安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻，這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻，這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結(jié)溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax12、二極管功率損耗推導(dǎo)損耗二極管 = Irms X VF13、二極管功率應(yīng)力和散熱注意事項二極管的功率應(yīng)力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(二極管未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tamax – 最高工作環(huán)境溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結(jié)溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(二極管安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻。這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻。這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結(jié)溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax14、電感功率損耗推導(dǎo)電感的功率損耗由兩部分組成：直流損耗和交流損耗。在低開關(guān)頻率和低功率下，AC 損耗很小，因此根本不包括在計算中。但是對于非常高的開關(guān)頻率，你可以假設(shè)開關(guān)損耗與直流損耗幾乎相同。直流損耗有時也稱為銅損，而開關(guān)損耗也稱為磁芯損耗。

電感功率損耗公式15、輸出電容選擇下面的輸出電容 (C1) 計算是通用的。但是，特定控制器可能有自己的公式來推導(dǎo)出輸出電容的值，因為這與環(huán)路補償有關(guān)?？紤]到?jīng)]有 ESR 的影響，可以使用下面的公式來確定輸出電容的大小。C1 = di / (Fsw X Vripple)電解電容的ESR很大，分析時需要考慮。上面計算的電容應(yīng)具有不高于下式的 ESR。ESR = Vripple / di

ESR——等效串聯(lián)電阻

di – 電感紋波電流

Fsw——開關(guān)頻率

Vripple – 允許的輸出紋波電壓

紋波電流所選輸出電容的紋波電流額定值應(yīng)高于以下公式的結(jié)果。

輸出電容的紋波電流額定值

Irms_inductor – 電感 RMS 電流

I_load – 負(fù)載電流

16、降壓轉(zhuǎn)換器效率方程推導(dǎo)降壓轉(zhuǎn)換器效率可以使用以下等式計算。效率 = (Pout / Pin) X 100%Pout = Iout X VoutPin = Pout + Ploss 總計效率 = [Iout X Vout / (Pout + Ploss 總)] X 100%

Iout – 負(fù)載電流

Vout – 輸出電壓

Pout – 總功率損耗

17、電路實例