降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
我們將使用的電路如圖 1 的原理圖所示。這稱為降壓或降壓轉(zhuǎn)換器。
Buck（降壓）轉(zhuǎn)換器仿真原理圖
圖 1. Buck（降壓）轉(zhuǎn)換器仿真原理圖
降壓或降壓轉(zhuǎn)換器可用于完成電源管理電路的常見任務(wù)：將標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)級電壓（例如 12 或 28 V）降低至適合低功耗的 5 或 3.3 V 電源軌。電壓電子設(shè)備。
我說“幫助”是因?yàn)閳D 1 的拓?fù)渲皇情_關(guān)模式穩(wěn)壓器的功率級。它不是一個完整的調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗狈Ψ答�，因此無法鎖定指定的輸出電壓。
降壓轉(zhuǎn)換器原理圖和仿真詳細(xì)信息
在我們深入模擬和分析之前，讓我們先討論一下這個 LTspice 原理圖的一些不太容易解釋的方面：
電源開關(guān)型號
開關(guān)頻率和占空比
在輸入端使用理想電壓源的含義之一
電感和電容值的選擇
電源開關(guān)模型
物理轉(zhuǎn)換器電路中的功率開關(guān)通常是場效應(yīng)晶體管。在此模擬電路中，我使用電壓控制開關(guān)，其規(guī)格由 .model MYSW SW(...) 語句確定。開關(guān)特性非常有利，但不太理想：
1 Ω 通態(tài)電阻
1 MΩ 斷態(tài)電阻
閾值電壓位于 VSWITCH 生成的邏輯低 (0 V) 和邏輯高 (5 V) 電平的中間。
開關(guān)頻率和占空比
VSWITCH 產(chǎn)生用于打開和關(guān)閉開關(guān)的矩形波。使用 .param 語句，我定義了各種參數(shù)，使我能夠輕松控制關(guān)鍵切換特性。我指定振蕩器頻率和占空比，這是我的大腦直觀思考電路行為所需的值。這些用于計(jì)算周期和時間，這是 LTspice 的 PULSE 函數(shù)所需的值。
在輸入端使用理想電壓源進(jìn)行仿真
輸出電容器是轉(zhuǎn)換器操作不可或缺的一部分，因此在模擬電路和物理電路中都是必需的。物理電路還需要一個輸入電容器，其關(guān)鍵目的是降低源阻抗，從而使轉(zhuǎn)換器能夠更平穩(wěn)地從輸入電源汲取強(qiáng)烈的突發(fā)電流。由于我的 SPICE 實(shí)現(xiàn)中的輸入電源具有零串聯(lián)阻抗，因此不需要輸入電容器。
電感和電容值的選擇
圖 1 中所示的電感 (100 H) 和電容 (1 F) 值是我使用本 TI 應(yīng)用筆記中的公式計(jì)算得出的合理起點(diǎn)。我們將在以后的文章中探討電容器和電感器值的影響。
降壓轉(zhuǎn)換器仿真
我們首先運(yùn)行一個占空比為 50%、負(fù)載電阻為 1 kΩ 的仿真。圖 2 是輸出電壓隨時間變化的圖。請注意，輸出電壓需要一些時間才能達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值。
降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓穩(wěn)定
圖 2.降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓穩(wěn)定。
開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，包括我們稱為電荷泵的基于電容器的開關(guān)器，具有與輸出電容器充電所需的時間相對應(yīng)的啟動延遲。這種情況幾乎發(fā)生在任何電路中，因?yàn)槟程幙傆幸恍╇娙菪枰潆姟?br>
然而，對于開關(guān)來說，啟動時間可能會相當(dāng)長，因?yàn)槌潆婋娏魇艿介_關(guān)動作的限制，并且要充電的電容量相對較大。
占空比對降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的影響
如圖2所示，輸入電壓為12V時，穩(wěn)態(tài)輸出電壓約為10.5V。占空比為50%，那么為什么輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓的50%呢？
如果您已閱讀上一篇文章，您就會看到該圖（圖 3 中重復(fù)），其中濾波電壓的幅度直接對應(yīng)于 PWM 波形的占空比。
直流電壓電平是 PWM 占空比的函數(shù)。
圖 3.直流電壓電平與 PWM 占空比的函數(shù)關(guān)系。
然而，該圖僅描述了對 PWM 波形進(jìn)行濾波的效果。而在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，PWM 占空比只是影響 V IN與 V OUT比率的眾多因素之一。我可以將占空比保持在 50%，并通過修改電感值、負(fù)載電阻值或開關(guān)頻率來顯著改變輸出電壓。
這個討論很好地提醒我們，占空比并不是生成特定的固定輸出電壓的一種手段。相反，開關(guān)模式穩(wěn)壓器通過調(diào)整占空比來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，作為負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制方案的一部分。
因此，我們不能僅將占空比設(shè)置為 50%，并假設(shè) V OUT = 6 V，V IN = 12 V。無論如何，我們都不想圍繞恒定輸入構(gòu)建穩(wěn)壓器電壓。我們更愿意設(shè)計(jì)一種能夠抵抗意外輸入變化并易于集成到可能具??有不同輸入電壓的新應(yīng)用中的穩(wěn)壓器。
在結(jié)束本節(jié)之前，我想簡要提及 PWM 并不是執(zhí)行開關(guān)模式調(diào)節(jié)的方法。盡管不太常見，但脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 在某些應(yīng)用中是，因?yàn)樗梢栽谳p負(fù)載條件下提供更高的效率。
降壓轉(zhuǎn)換器電感電流
我們將以圖 4 的圖來結(jié)束，該圖顯示了電感器電流相對于開關(guān)控制電壓和輸出電流的關(guān)系。
降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負(fù)載電流（紅色底部）。
圖 4.降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負(fù)載電流（紅色底部）。
開關(guān)控制電壓圖表達(dá)了開關(guān)的狀態(tài)：當(dāng)開關(guān)控制信號為邏輯低電平時開關(guān)打開，當(dāng)信號為邏輯高電平時開關(guān)關(guān)閉。根據(jù)開關(guān)模式調(diào)節(jié)的基本原理，開關(guān)始終被驅(qū)動為完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷，這意味著它要么自由通過電流，要么完全阻止電流。
未經(jīng)修改，這種開/關(guān)電流無法正確為電子電路供電，但電感器電流圖顯示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效應(yīng)。通過電感器的電流不能瞬時變化，降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湓试S電感器將開/關(guān)電流轉(zhuǎn)換為斜坡上升/斜坡下降電流。如光標(biāo)虛線所示，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感器電流開始斜坡上升，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電感器電流開始斜坡下降。
對于電源目的而言，僅電感器電流就會產(chǎn)生太多紋波。然而，電感器與輸出電容器一起工作，提供足夠的濾波，以實(shí)現(xiàn)您在圖中看到的穩(wěn)定、低紋波負(fù)載電流。請注意，負(fù)載電流是電感電流的平均值。 |
