网站建设有哪些分类,淘宝网页版电脑版登录入口,黄骅港务局,百度指数是什么意思在之前的文章 DCDC 降压芯片基本原理及选型主要参数介绍 中已经大致讲解了dcdc降压电路的工作原理#xff0c;今天再结合仿真将buck电路工作过程讲一讲。
基本拓扑 上图为buck电路的基本拓扑结构#xff0c;开关打到1#xff0c;电感充电#xff1b;开关打到0#xff0c;…在之前的文章 DCDC 降压芯片基本原理及选型主要参数介绍 中已经大致讲解了dcdc降压电路的工作原理今天再结合仿真将buck电路工作过程讲一讲。
基本拓扑 上图为buck电路的基本拓扑结构开关打到1电感充电开关打到0电感放电。通常认为电感和电容都是储能元件但是电感的充放电是有能量形式的转换的充电时电场 → 磁场放电时磁场 → 电场。
接下来我们结合仿真来看看buck电路的具体工作过程。
原理图
在kicad中建立仿真原理图 V2是直流电压源Q1是PMOSQ2是NMOSV1是脉冲电压源用它来做PWM控制信号C1是输入电容C2是输出电容L1是储能电感R1是负载电阻。
从图中可以看到我们将PWM频率设置为1MHz以便使用更小的电感进行仿真。
仿真工作过程
1. 启动
我们先进行10us的瞬态仿真看下前10个周期的波形 红线是PWM波形当PWM为低电平时Q1开启Q2关闭电感L1充电可以看到随着输出电容C2电压的升高L1的充电电流在变缓其斜率为 k 1 Δ i Δ t V C 1 − V C 2 L 1 k_1 \frac {\Delta i} {\Delta t} \frac {V_{C1} - V_{C2}} {L1} k1ΔtΔiL1VC1−VC2 V C 1 V_{C1} VC1为输入电压5V不变 V C 2 V_{C2} VC2为输出电压在不断上升所以L1的充电电流斜率在减小。
当PWM为高电平时Q1关闭Q2开启电感L1放电放电电流斜率为 k 2 Δ i Δ t V C 2 L 1 k_2 \frac {\Delta i} {\Delta t} \frac {V_{C2}} {L1} k2ΔtΔiL1VC2
所以随着C2电压的升高电感放电电流斜率在增大。
而在这10个周期中电感电流几乎都流向C2给C2充电。
2. 100个周期
把时间增大到100us即100个周期 为了让负载电阻的电流更加明显已经将R1从500Ω变为5Ω。
出现振荡波形了输出电压在衰减振荡这主要是因为没有反馈环路进行控制并且仿真的电路是同步整流Q2是双向导通的。但是可以看到输出电压和负载电流都是衰减振荡可以合理想象仿真时间继续延长它们一定会趋于一个固定值达到稳态。
我们先把Q2换成二极管来试一下 果然不再振荡了当电感电流降到接近0时不会再反向而是再次逐渐充电。
但这不是我们想要的结果我们继续在前面的原理图上想办法。仿真原理图中L1是一个近似理想电感我们可以加一个电阻来增大阻尼 这样输出电压就会快速收敛。但是这个串联电阻设为1Ω跟负载电阻的5Ω已经是同一数量级从仿真结果上也可以看到这时输出电压趋于2.5V其实就是5 × 60% × 5 ÷ 1 5 2.5V。实际上DCDC 降压芯片基本原理及选型主要参数介绍 这篇文章中的设计实例使用的电感ESR在150mΩ到200mΩ。
3. 稳态
将电感串联电阻R2设为100mΩ仿真500us 差不多在300us输出电压和负载电流不再变化。我们推导下输出电压和输入电压的关系
设输入电压为 V i V_i Vi输出电压为 V o V_o Vo
当电路达到稳态时 假设电感充放电过程没有损耗设充电时间为 t 1 t_1 t1即上图中电感电流上升的时间放电时间为 t 2 t_2 t2即上图中电感电流下降时间则由能量守恒 ∫ 0 t 1 ( V i − V o ) ⋅ i ⋅ d t ∫ 0 t 2 V o ⋅ i ⋅ d t \int_{0}^{t_1} (V_i - V_o) \cdot i \cdot dt \int_{0}^{t_2} V_o \cdot i \cdot dt ∫0t1(Vi−Vo)⋅i⋅dt∫0t2Vo⋅i⋅dt
在稳态时电感充电平均电流与放电平均电流相等则有 ( V i − V o ) ⋅ t 1 V o ⋅ t 2 (V_i - V_o) \cdot t_1 V_o \cdot t_2 (Vi−Vo)⋅t1Vo⋅t2
这就是电感的伏秒积守恒进而可得 V o t 1 t 1 t 2 V i {V_o} \frac{t_1}{t_1 t_2} V_i Vot1t2t1Vi
其实从上面的电感电流波形出发也不难推导出上式。
dcdc降压芯片中通过给PWM控制器引入反馈实现当输出负载或输入电压变化时能够保持输出电压稳定不变反馈环路的设计是控制器的核心。 公众号 | FunIO 微信搜一搜 “funio”发现更多精彩内容。 个人博客 | blog.boringhex.top
