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[嵌入式]如何通过电感+MOS管实现BUCK降压和Boost升压

关于buck/boost升降压电路的知识,学习整理如下。

BUCK/BOOST升降压电路构成的三兄弟元器件:1.电感,2.二极管,3.mos管。

电路用到:

1、基尔霍夫定律:一个回路上的电压之和等于0

2、法拉第电磁感应定律:这是最核2心的电感起作用的定律,

感应电动势计算公式:E=nΔΦ/Δt(普适公式){E:感应电动势(V),n:感应线圈匝数,ΔΦ/Δt:磁通量的变化率}

自感电动势计算公式:E自=nΔΦ/Δt=LΔI/Δt{L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比无铁芯时要大),ΔI:变化电流,?t:所用时间,ΔI/Δt:自感电流变化率(变化的快慢)}

从而得出:U=Ldi/dt==>Udt=Ldi

3、能量守恒定律:电感上的储存多少能量就释放多少能量

4、伏秒平衡原则:即处于稳定状态的电感,开关导通时间(电流上升段)的伏秒数须与开关关断(电流下降段)时的伏秒数在数值上相等。

电感是储能元器件,在升压电路中起着储能作用,具有充电和放电两个过程。

充电过程是:PWM信号控制MOS管处于闭合状态时,左边形成环路完成电感充电即储能的过程。此时电感极性左正右负,右部环路上的负载R没有电流。

放电过程是:PWM信号控制MOS管处于关断状态,电感极性转变为左负右正,和Vin串联叠加形成更大的电压,开始放电,此时右部环路上的电容输出端就是升高后的电压,负载R也有电流了。

结合法拉第电磁感应电动势推导公式及伏秒平衡原则,有:

Uon * ton=Uoff * toff? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[1]
当MOS=ON时:Uon=Uin;ton=DT;? //其中D是开启时PWM占空比。
当MOS=OFF时: Uoff=Uout;toff=(1-D)T;

代入公式[1]后,有

Uin * DT=Uout * (1-D)T;
=》Vout/Vin=1/(1-D);? ? ? 因为D<1,所以输出电压比输入电压>1,即Vout > Vin,表示该电路实现升压。D=50%,则Vout=2*Vin,放大2倍;D=80%,则Vout=5*Vin,放大5倍。可见PWM占空比越大,则升压倍数越大。

开关电源中还有一个非常重要的概念:开关频率,比如常见的180KHz和400KHz,指PWM频率或MOS管的开关频率,频率越高输出电压的波形也平滑、纹波越小,但对MOS管开关速度也就要求越高。

在BUCK降压电路中,最重要的就是PWM波+BUCK降压电路,降压电路的核心器件还是电感,功率电感在DC/DC的升压电路和降压电路中都是必不可少,DC/DC类开关电源IC采用PWM控制,电感在电路中起到充放电作用。Boost升压电路和Buck降压电路的原理和拓扑结构类似,只是电感、功率开关以及二极管的位置不同。

充电过程是:当功率MOS开关Q1闭合导通时,电源通过电感给负载充电,并将电能储存在电感L和输出电容中,由于电感L的自感,在开关闭合时,电流增大的比较缓慢,即输出不能立刻达到电源的电压值。

放电过程是:一定时间后,当功率MOS开关Q1关断时,由于电感L的自感作用,将保持电路中的电流不变,即从左到右继续流。电流流过负载,从地返回,流到肖特基二极管的正极,经过二极管返回电感L的左端,从而形成一个回路。通过控制PWM的占空比就可以控制输出的电压。

在MOS开关闭合期间,电感储存能量,在断开期间释放能量,所以电感L叫做储能电感,二极管在开关断开期间负责给L提供电流通路,所以二极管叫做续流二极管。

根据能量守恒,在稳态条件下,电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0,即伏秒平衡原理。根据电感电流在一个开关周期内是否连续,有三种工作模式,分别是CCM连续电流模式、BCM临界电流模式和DCM不连续电流模式。

CCM模式下,同样根据伏秒平衡原则Uon * ton=Uoff * toff?:

Von * DT=Voff * (1-D)T? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[2]

当MOS=ON时:电感电压Von=Vin-Vout

当MOS=OFF时:电感电压Voff=Vout

代入公式[2]后,有

(Vin-Vout) * DT=Vout * (1-D)T
推导出=> Vout/Vin=D ,其中PWM占空比D<1,故Vout<Vin,输出电压小于输入电压,因此处于降压,且和负载电流无关。

各点位波形如下:

电感进入DCM模式,传递函数、电流和电压波形将发生很大变化,输出电流纹波比CCM模式大。此时有最小负载电流值要求,同样根据伏秒平衡原则有:

(Vin-Vout)D1T=VoutD2T

推导出=》Vout/Vin=D1/(D1+D2)。同样得出Vout<Vin。

MOS开关管闭合导通时,二极管截止时间为D1T;

MOS开关管打开截止时,二极管导通时间为D2T;

MOS开关管和二极管都截止的时间为(1-D1-D2)*T,D2与电路参数有关。

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加:2022-06-01 15:23:19  更:2022-06-01 15:24:18 
 
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