开关电源 之BUCK变换器工作原理及Multisim实例仿真

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
22பைடு நூலகம்µF
5Ω
根据上图仿真结果，则有：
1.14 5.7 0.58 12
93.36%
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：
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
Author: Jackie Long
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：
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）。
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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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：
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：
1
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EMI 等问题，下面我们简单介绍一下：
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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：
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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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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。
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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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
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：
6
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相关波形如下图所示：
3
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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
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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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：
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：
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。
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、
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。
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
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。