开关电源 之BUCK变换器工作原理及Multisim实例仿真

EMI 等问题，下面我们简单介绍一下：
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Author: Jackie Long
Vo
纹波峰峰值
平均值
t 0
纹波即上图所示的输出电压波动成分的峰峰值，自然是越小越好。要降低纹波有很多途 径，增大电感量或电容量就是常用的途径之一，电感量或电容量增加后，充放电速度（时间 常数增大）都会下降，相应的纹波峰峰值也会下降，如下图所示：
理想的 MOS 管在工作时（即导通或截止）的压降及流过其中的电流应如下图所示：
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DS
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D
其中，VDS 表示 MOS 管两端的压降，而 ID 表示流经 MOS 管的电流，在任意时刻，VDS 与 ID 都会有一个参数为 0，因此消耗的功率 P=U×I 也应当是 0，但是实际 MOS 管的开关与 闭合都是需要过渡时间的，真实的开/关状态如下图所示：
为了进一步提升稳压电路中的转换效率，提出用处于开关状态的调整管来代替线性电源 中处于线性状态中的调整管，而 BUCK 变换器即开关电源基本拓扑之一，如下图所示：
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越小，理想状态下（忽略损耗），则输出电压与输入电压的关系如下式：
V
T TT
V
其中，Ton 表示一个周期内开关闭合的时间，Toff 表示一个周期内开关断开的时间，Ton/ （Ton+Toff）也叫做矩形波的占空比，即一个周期内高电平脉冲宽度与整个周期的比值，亦即 输出电压为输入电压与控制信号占空比的乘积，如下图所示：
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续流二极管也是损耗的一种来源，由于续流二极管存在一定的压降，只要续流二极管中 有电流就存在损耗，即 P=ID×VD，很明显，降低二极管损耗的有效办法是选择低压降的二极 管，如肖特基二极管，更多文章可关注《电子制作站》微信订阅号 dzzzzcn，但是低压降的 肖特基二极管漏电流与结电容也大，会产生更大的损耗，因此需要综合各种因素考虑，我们 也可以采用同步整流的方案，即使用 MOS 管来代替续流二极管，如下图所示：
同步整流电路方案中，Q1 导通时 Q2 截止，则 Q1 截止时 Q2 导通，即可代替肖特基二 极管的续流功能。假设原方案中的肖特基二极管压降为 0.4V，流过其中的电流为 3A，则损 耗的功率为 1.2W，如果选择导通电阻较小的 MOS 管（如 0.01 欧姆），则同样的电流条件下 损耗为 0.09W，大大提高了电路的效率。
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换句话说，在相同的纹波值条件下，如果选择开关频率较高的芯片，电感与电容值相对 会小一些（即成本低一些），如下图所示为 LM2596 的内部开关频率为 150KHz，相应的也有 超过 MHz 的开关频率芯片。
如下图所示为线性稳压电源电路的基本原理图：
之所以称其为线性电源，是因为其稳定输出电压的基本原理是：通过调节调整管（如三 极管）的压降 VD 来稳定相应的输出电压 VO，也因调整管处于线性放大区而得名。如果某些 因素使得输出电压 VO 下降了，则控制环路降低调整管的压降 VD，从而保证输出电压 Vo 不变， 反之亦然，但这样带来的缺点是调整管消耗的功率很大，使得该电路转换效率低下，当然， 线性电源的优点是电路简单，纹波小，但是在很多应用场合下，转换效率才是至关重要的。
貌似效率还是挺高的，但不是 100%呀，因为有很多地方有损耗，比如 MOS 管导通时的 电阻 RON、电感本身的线圈绕组铜损及磁芯损耗、电容的串联等效电阻 ESR 都会引起损耗， 如下图所示，这些地球人都容易理解，此处不再赘述。
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同样是从输入电源 10V 中获取 5V 的输出电压，线性稳压电源的有效面积为 5×T，而对 应在开关稳压电源的单个有效周期内，其有效面积为 10×T×50%（占空比）=5×T，这样只要 在后面加一级滤波电路，两者的输出电压有效值（平均值）是相似的。
下面我们来看看 BUCK 转换电路的工作原理（假设高电平开关闭合，低电平开关断开）。
在阴影区域，电流与电压都不再为零而引起了开关损耗，它主要与开关的切换频率有关， 频率越高则单位时间内开关的次数越多，因此相应的开关损耗也越大。
另外，为避免开关电源带来的 EMI 问题，应该对开关电源电路的 PCB 布局布线格外关 注，如下图所示：
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而监测的电路参数主要是开关之后的电压、电感电流及输出电压（理论计算应为 6V）， 我们看看下图所示的仿真结果：
其中，红线表示电感电流，绿线表示开关后的电压，蓝线表示输出电压（其值为 5.7V）。 看起来输出电压还是比较稳定的，我们将输出电压曲线放大一下并测量一下其纹波值，如下 图所 示：
样的，因此，不能简单地用输出电压与输入电压的比值来表征，我们只有用最原始的方法了，
就是计算输出功率与输入功率的比值，如下式：
η
V V
I I
P P
其中，Vo 表示负载两端的电压，Io 表示流经负载的电流，两者的乘积即输出功率 Po，Vi 表示输入电压，Ii 表示输入电流，两者的乘积即输入功率 Pi。
仿真电路如下图所示： Q1
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纹波峰峰值为 2.25mV，还是比较低的（实际的电路很有可能没这么低，特别是接上开 关之类负载之后）
还有一个效率问题，与线性电源不同的是，BUCK 变换器的输入电流与输出电流是不一
相关波形如下图所示：
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通过控制开关 K1 的导通时间（占空比）即可控制输出电压的大小（平均值），当控制信
号的占空比越大时，输出电压的瞬间峰值越大，则输出平均值越大，反之，输出电压平均值
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开关电源（1）之 Buck 变换器详解
开关电源（Switching Mode Power Supply）即开关稳压电源，是相对于线性稳压电 源的一种的新型稳压电源电路，它通过对输出电压实时监测并动态控制开关管导通与断开的 时间比值来稳定输出电压。
由于开关电源效率高且容易小型化，因此已经被广泛地应用于现代大多数电子产品中。 如果说每个现代家庭都至少有一个开关电源都不为过，如电视机（彩色的）、电脑、笔记本、 电磁炉等等内部都有开关电源，虾米？这些东西你们家都没有？我去！那手机有没有？手机 充电器也是一个小型的开关电源，中招了吧！手机也没有，那就是古代家庭了，忽略之！
从公式中也可以看出，BUCK 拓扑结构只能用来对输入电压 VI 进行降压处理（升压方案 可参考 Boost 拓扑），因为控制信号的占空比是不可能超过 1 的，这一点与线性电源是类似 的，而且设计比较好的开关电源电路，其效率可达到 90%以上，这看起来似乎是个不错的降 压稳压方案，但任何方案都不会是完美的，随之而来的问题也接踵而至，比如纹波、噪声、
当开关 K1 闭合时，输入电源 VI 通过电感 L1 对电容 C1 进行充电，电能储存在电感 L1 的同时也为外接负载 RL 提供能源。
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当开关 K1 断开时，由于流过电感 L1 的电流不能突变，电感 L1 通过二极管 D1 形成导通 回路（二极管 D1 也因此称为续流二极管），从而对输出负载 RL 提供能源，此时此刻，电容 C1 也对负载 RL 放电提供能源。
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在进行 PCB 布局布线时，应尽量使开关管与相关的续流二极管、储能电感及输出电容 的电流回路是最小的，LM2596S 布局布线实例如下图所示：
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I(f req): 22.3 kHz
D1 1N5824
A PR1
PR3
V
3
V: 5.71 V V(p-p): 29.3 mV V(rms): 5.73 V V(dc): 5.70 V V(f req): 22.3 kHz
C1
R1
220µF
5Ω
根据上图仿真结果，则有：
1.14 5.7 0.58 12
93.36%
V
Ton
T源自文库ff
t
0
BUCK 变换拓扑通过配合相应的控制电路，实时监测输出电压的变化，适时地动态调整 占空比开关管的导通与截止时间的比值，即可达到稳定输出电压的目的，如下图所示：
K1
I
L1
VI
逻辑
控制
D1
+
RL Vo C1
这种通过控制占空比的方式也叫做脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation, PWM）， 它是一种频率固定而占空比变化的控制试，相应地，也有脉冲频率调制技术（Pulse frequency Modulation, PFM），或两者的结合。
Vo
原来的纹波峰峰值
平均值
新的纹波峰峰值
t
0
对于具体的 BUCK 拓扑降压芯片，厂家都会提供典型的应用电路及相关的参数值，如下 图所示为 TI 公司的集成降压芯片 LM2596 典型应用电路图：
我们也可以通过提高开关的频率来降低纹波，这样，在同样的电感量与电容量条件下， 每次充放电的时间缩短了，这样纹波的峰峰值就下降了，如下图所示：
其中，开关 K1 代表三极管或 MOS 管之类的开关管（本文以 MOS 管为例），通过矩形波 控制开关 K1 只工作于截止状态（开关断开）或导通状态（开关闭合），理想情况下，这两种 状态下开关管都不会有功率损耗，因此，相对于线性电源的转换效率有很大的提升。
开关电源调压的基本原理即面积等效原理，亦即冲量相等而形状不同的脉冲加在具有惯 性环节上时其效果基本相同，如下图所示：
我们用下图所示的电路参数仿真：
1
XFG1
V1
COM
12V
Q1 IRF9640
4
V
PR2
2
L1 33µH
D1 1N5824
A
PR1
3
C1 220µF
0
V
PR3
R1 5Ω
其中，信号发生器 XFG1 设置驱动峰值电压为 12V，频率为 150KHz，占空比 50%，如下 图所示：
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IRF9640
A PR4
I: -1.55 A
I(p-p): 15.9 A
I(rms): 892 mA
1
I(dc): 580 mA
I(f req): 150 kHz
4 XFG1
COM
V1 12V
0
L1 33µH
I: 1.14 A I(p-p): 5.86 mA
2II((rdmc)s:)1: .11.415AA