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1、智能车培训之硬件篇 第2讲 BUCK电路,开关电源拓扑,开关电源有三种拓扑：BUCK、BOOST和BUCK-BOOST，这三个拓扑是非隔离的，也就是说输入和输出共地。那些隔离的拓扑电源电路其实也是由这三种非隔离的拓扑演变而来的。所谓的电源拓扑其实就是指开关管、二极管、输出电感、输出电容之间的连接方式，不同的连接方式对应着不同的拓扑。,BUCK拓扑,BUCK基本原理,在BUCK正常的工作期间，Q1在驱动电路的控制下会不停地开和关，这种不停的开关动作会在Q1、CR1和L的交点处产生脉冲，经过L/C滤波之后产生直流输出电压VO。,BUCK工作状态-ON,在MOS管导通状态，由于电感两端电压是固定的，
2、等于VI - VDS - IL X RL - VO，因此电感电流会变成线性增加，电感电流在TON期间的增加情况如图所示。电感电流的增加情况可以按照下面的公式计算。,ON状态下的等效电路,BUCK工作状态-OFF,当Q1关断时，即处于OFF状态时，这时加在电感两端的电压为负的，电感两端电压的极性是左负右正，与Q1导通时电感两端电压极性是相反的，所以电感电流逐渐减小。电感两端电压极性反向直到CR1正向导通。这时电感L左端电压变成-(Vd + IL X RL)，这里Vd是二极管CR1的压降。电感L右端的电压依然是输出电压VO。在OFF状态，电感两端的电压是常数值，等于VO + Vd + IL X R
3、L。,OFF状态下的等效电路,BUCK推论,在稳态时，电感电流在ON期间的增加情况与在OFF期间电感电流减小的情况一定是相等的。否则，电感电流在几个周期之后会产生一个净增加或者净减少的情况，这样将不能形成一个稳态。 正确的电源拓扑必须满足IL(+)=IL(-)，若不满足此方程，则不是正确的拓扑。,BUCK关系式,从上面VO的关系式中可以看出，VO实际上可以通过占空比D来调节，而且输出电压VO总是比输入电压小，因为占空比D的大小是在01之间。 通过常识我们知道，VDS，Vd以及RL都很小，几乎可以忽略不计。这里假设VDS，Vd和RL为0的话，则上式可以简化为VO = VI*D或者说D=VO/VI
4、。 通过前面两个图可知：整个反复开关的工作期间，即不论是处于ON状态还是处于OFF状态，电感电流都是流向输出电容与负载的交点处。因此在整个电源开关期间，电感电流的平均值是等于输出电流的。 从另一个角度考虑也能说明这个关系，就是流向输出电容的电流肯定为0，因此输出电流IO也是等于电感平均电流IL(Avg)的。 即IL(Avg)=IO。 流过开关管的平均电流为IL(Avg)*D= IO*D； 流过二极管的平均电流为IL(Avg)*(1-D)= IO*(1-D)；,BUCK电感L计算,由于电感上的电流一般存在波纹电流，因此在选择电感时电感电流要按照1.2* IL(Avg)考虑 。 电流纹波率r，是指
5、电感电流的交流分量与其相应的直流分量的比值，即r=I/IL；这个公式适用于任何拓扑。 根据经验，r=0.30.5之间，一般可取0.4；,由r表示L的公式,BUCK电感计算举例,假设变换器的输入电压范围为1520V，输出电压为5V，最大输出电流为5A。如果开关频率是200kHz，那么电感的推荐值应该是多大？,解： 1. BUCK变换器，最恶劣的情况，即电感电流最大的情况应该是在输入电压为最 大的时候出现，因此这里应该在输入电压为20V的时候考虑电感的计算。 2. 占空比D=VO/VIN=5/20=0.25； 3. 周期是1/f=1/200kHz=5us； 4. 关断时间TOFF是T*（1-D）=
6、3.75us； 5. 伏秒积VON*TON=VOFF*TOFF=18.75us； 6. 套用公式 7. IL=IO=5A; L=(VOFF*TOFF)/(r*IL)=18.75/(0.4*5)=9uH；这里要注意单位的变换。 8. 电感电流的额定值最少是（1+r/2）*IL=1.2*5=6A; 因此，选择电感时应该选择9uH、6A的电感，或者与这个参数相近的电感。,BUCK元件选择,二极管选择 频率在几百KHz范围内，选择肖特基二极管。在Ton阶段，二极管承受最大反向电压，其值为VI。考虑到设计冗余，二极管耐压至少选择VI_MAX的1.2倍。二极管的平均电流ID_AVG=IO (1-D)。二极
7、管额定电流至少选择ID_AVG的2倍以上,(3) 输出电容选择 对于连续模式下的BUCK电源，输出电容容值取决于电感纹波电流IL，开关频率fS以及输出电压纹波VO，具体的计算可以参考下式进行：,(2) MOS管选择 TOFF阶段，开关管承受的最大电压为VI ，耐压值至少选择 VI_MAX的1.2倍，如果MOS管的DS两端有尖峰，需要根据实际情况进行调整。开关管的电流至少选择开关管导通时电流的2倍以上，电流较大的需要注意散热处理,BUCK设计-NCP3020,应用原理图,datasheet上NCP的典型应用电路,BUCK设计-NCP3020,实例,datasheet上NCP3020的设计实例原理
8、图,BUCK设计-NCP3020,7.2V转6V电路原理图,BUCK设计-NCP3020,7.2V转6V电路的设计步骤,步骤一：计算占空比D；D=VO/VI=6/7.2=0.8;,步骤二：计算电感值 公式L=(VON*D)/(r*IL*f)适用于任何拓扑 VON=VI-VO=1.2V； IL=IO=0.8A（最大不超过1A，这里按照0.8A计算）； f=300kHz。 把这些参数代入L的公式可得，L=10uH; 我们设计所要选择的电感感值必须要大于10uH，蓝宙所设计的原理图中采用的是100uH，主要原因是我们有现成的100uH的物料，不用重复采购。 步骤三：选择MOS管; 步骤四：计算输出电容值;（计算结果是2uf，实际选取100uf） 步骤五：计算反馈电阻阻值;（注意电阻阻值大小是有规格的，不是什么阻值的都有）,蓝宙电子科技有限公司 地址：芜湖市经济开发区银湖北路科技创业中心C栋211室 电话：0553-5841830 E-mail： 网址： ,