2.2 BUCK电路控制与设计实例
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此值比容许的纹波电流( 1 .44A)小得多，故可以。
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
3
BUCK电路设计实例
6.二极管D1的选定及损耗计算 本应用是由24V输入,以5V输出，电压为较低，二极管采用肖特基二极管。 因D1的反向电压要耐受24V的冲击电压，故宜选用耐压强度超过40V的器件。 可采用肖特基势垒二极管D10SC4M的新电元产品。 其正向压降Vf为0.5V时，则二极管的损耗Pd为
6
频率f的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
பைடு நூலகம்
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
１．输入、输出参数的确定 输入端电压为24V 输出端电压为5.0V 输出电压纹波30mV 输出电流为5.0 A
BUCK电路设计实例
2.电路及控制IC的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
2SJ372 沟道温度 Tch 漏-源极电压 Vdss 最大额定 漏极电流(DC) Id 漏极电流峰值 Idp 漏-源极见的ON电阻 Ron 输入电容 Ciss 电特性 接通时间 Ton 断开时间 Toff 阻热 Q
150 ℃ -60 V -15 A -60 A 0.1 1350 pF 220 ns 960 ns 3.12 ℃/W
2
BUCK电路设计实例
5.C1及C2的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
BUCK电路设计实例
5.C1的确定
首先求输入电容器的C1内所导通的纹波电流Ic1的值。为计算简 化，令Id之值如图a所示，因Ic1为 Id的交流分量，故其值如图b所示 的状态。
１．输入、输出参数的确定
二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定 Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
变换器设计具体流程如下：
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定
TL494芯片
1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端； 16、15脚是误差放大器2的同相和反相输入端； 3脚是相位校正和增益控制； 4脚为死区时间调理，其上加0～3.3V电压时可使 截止时间从2%线性变化到100%； 5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；
TL494芯片
7脚为接地端； 12脚为电源供电端； 14脚为5V 基准电压输出端 8、9 脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级 输出三极管集电极和发射极 13 脚为输出控制端，控制输出方式
BUCK电路设计实例
8.控制常数的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定 控制芯片应用
BUCK电路设计实例
8.控制芯片选择
TL494、UC3525
频率f的确定
控制IC 电感L1的确定 设计值的确定
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
P d Vf Io 1 D 0.55 (1
再根据数据计算，选择合适的散热片即可
输出驱动
频率f的确定 过流限流控制 电感L1的确定
零死区 开关频率 单端输出
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
9.设计值的确认
FET的输入电容为Ciss时，则驱动FET时的损耗 P 值可由下式求得 drive
P pF(24 V )2 200kHz 0.16 drive CissV i f 1350
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
5.C1的确定 Ic1的有效值为
BUCK电路设计实例
5.C1的确定
因为电压为24V，故选用C1为PL系列中35V470uF的两个并 联，允许纹波可从表1中查出，一个是1420mA 两个并联就是2840mA,比前面计算出的 Ic1rms 要大，满足设计要求
1.2 ) 1.9W 5
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算 本应用是由24V输入,以5V输出，电压较低， 所以功率器件采用MOSFET 功率MOSFET的Vds最大值为24V，故选用最大额定电压时，须在40V以上。 因漏极电流的额定，须在10A以上，为使其损耗减少，采用Ron与Ciss两者 均小的FET较好，于是采用2SJ372.参数如下表
反馈控制
反复试验专用集成电路的脉宽调制特性 充分掌握IC各脚工作电压和电流实测数据变化范围、 变化速率、变化方向 反复调节IC外围阻容参数，直到完全有把握 按照控制电压－模拟加压－实际加压的过程进行调试
应用电路
BUCK电路设计实例
9.设计值的确认
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电压反馈环路 电压反馈控制 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
I c1rms
1 .2 3 .8 3 .8 2 1 .2 2 2135 mA 5 5
电压/V(DC)
电容量/uF 外型尺寸
10 35
开关电源用的电解电容 阻抗/欧姆 20℃/100kHz "-10℃/100kHz 1500 10×31.5 0.045 0.09 470 10×31.5 0.046 0.092
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
考虑到肖特基二极管的通态压降 V f 0.5V ，电感上的电 阻所产生的压降 VL1 0.1V ，FET上的导通压降 Von 0.5V ，
输出控制
• 13 脚为输出控制端 • 该脚接地时为并联单端输出方式 • 接14脚时(高电平)为推挽输出方式
输入反馈
闭环回路的反馈信号送给TL494的误差放大器I的 IN+同相输入端；设定输入信号是由TL494的5V 基准电压源经电位器分压，接入TL494的误差放 大器I的IN-反相输入端 TL494的误差放大器I进行比较放大，输出控制电 压，与脉冲宽度成反比的、变化范围为0～10V的 直流电压。形成闭环单回路控制。 如果只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放 大器II的IN+（16脚）接地、IN-（15脚）接高 电平。
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算 开通使损耗Pon的值为
2 on 若 t r 0.1s
P RonId D 0.152 0.24 0.6W
MOSFET开通时的损耗Pr值为
1 t 1 0.1 Pr V1 I d 1 r 24 4.5 0.36W 6 T 6 5
允许纹波电流/mA(rms) 105℃/100-200kHz 1440 1420
BUCK电路设计实例
5.C2的确定
仅根据容量设计公式，容量设计明显偏小（18uF）
BUCK电路设计实例
6.二极管D1的选定及损耗计算
C Ts2Vo 8LVo (1 D)
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
BUCK电路设计实例
南航 电力电子 课程组
现一个24V-5V的DC-DC变换器为例，介绍 BUCK电路的设计。
BUCK电路控制与设计实例
Vi
陈新
Vo
chen.xin@nuaa.edu.cn
课程组网站：
控制电路
http://cae.nuaa.edu.cn/powerelec
1
BUCK电路设计实例
BUCK电路设计实例
C1及C2的确定
4
TL494芯片
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动 型脉宽调制控制集成电路，典型的固定频率脉宽 调制控制集成电路 TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电 路、死区调整电路、两个误差放大器、脉宽调制 比较器以及输出电路等组成。 它包含了控制开关电源所需的全都功能，可作为 BUCK、单端正激双管式、半桥式、全桥式开关 电源的控制系统
MOSFET关闭时的损耗Pf,若 t f 0.1s 及MOSFET关闭时，FET的浪涌电 压为36V，则Pf的值为
tf 1 1 0.1 0.66W Pf Vdsp I dp 36 5.5 T 6 6 5
Q的损耗是三种损耗的总和，其值为
P W q P on P r Pf 0.6 0.36 0.66 1.62
BUCK电路设计实例
3，频率f的决定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
3.频率f的确定 目前，一般所使用的频率范围，多为100500KHz之间。此项设计实例中采用200KHz 振荡频率除可按控制IC的数据手册说明，由外部 电容与电阻确定 频率f较高时，则效率不佳；较低时，L1和C2等 零件的体积增大，使动态负载变动难以减少
Vo 5.0V
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
T=1/200KHz=5us 因此Ton=1.2us D=0.24 若取△I1为输出电流的20%，则
Toff Ton
Vi Vo Von VL1 3.28 Vo Vf VL1
△I1=0.2Io=0.2*5.0A=1.0A 所以 V V V V L1 1 o on L1 Ton 22H I1
2
又DC-DC 变换器的总损耗P值为 于是可得效率eff值为
PP W d P q P drive 3.7
eff Vo I o / Vo I o P 5V 5 A5V 5 A 3.7 87%
装配完成后，还要观察其实际工作，并测定QD1C1C2的温度上升值， 以确定其温升是否在设计温度范围内。而且要观测各处的波形，与设计值 不致有过大差异方可。
反馈控制
输出脉冲的宽度是通过正极性锯齿波电压与另外 两个控制信号进行比较来实现。 只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。 如果输出电压过高，控制信号变大，输出脉冲宽 度减小。
5
反馈控制
电源专用集成电路控制系统的特定性能 低压工作－>模拟加高压状态->加高电压实验 要求：
所需的ESR值，可计算得出
ESR Vo / Ic2 0.03/1.00 30m
若额定电压为5V，从电容器PL系列中选用10V、1500uF的电容，因其阻抗为0.045 ，两个并联为22.5 m ，满足设计要求， C2的纹波电流有效值为
频率f的确定
I c 2 rms I c 2 / 2 3 1.00 / 2 3 0.29 A
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
1
BUCK电路设计实例
2.电路及控制IC的确定 其控制IC的特性，因输入电压为24V，可采用最 大额定电压须在30V以上的IC。 若所需的效率较高时，还可采用同步整流式控制 IC。 有时还得考虑系统的外部On/Off功能及软启动 等功能。
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
3
BUCK电路设计实例
6.二极管D1的选定及损耗计算 本应用是由24V输入,以5V输出，电压为较低，二极管采用肖特基二极管。 因D1的反向电压要耐受24V的冲击电压，故宜选用耐压强度超过40V的器件。 可采用肖特基势垒二极管D10SC4M的新电元产品。 其正向压降Vf为0.5V时，则二极管的损耗Pd为
6
频率f的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
பைடு நூலகம்
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
１．输入、输出参数的确定 输入端电压为24V 输出端电压为5.0V 输出电压纹波30mV 输出电流为5.0 A
BUCK电路设计实例
2.电路及控制IC的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
2SJ372 沟道温度 Tch 漏-源极电压 Vdss 最大额定 漏极电流(DC) Id 漏极电流峰值 Idp 漏-源极见的ON电阻 Ron 输入电容 Ciss 电特性 接通时间 Ton 断开时间 Toff 阻热 Q
150 ℃ -60 V -15 A -60 A 0.1 1350 pF 220 ns 960 ns 3.12 ℃/W
2
BUCK电路设计实例
5.C1及C2的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
BUCK电路设计实例
5.C1的确定
首先求输入电容器的C1内所导通的纹波电流Ic1的值。为计算简 化，令Id之值如图a所示，因Ic1为 Id的交流分量，故其值如图b所示 的状态。
１．输入、输出参数的确定
二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定 Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
变换器设计具体流程如下：
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定
TL494芯片
1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端； 16、15脚是误差放大器2的同相和反相输入端； 3脚是相位校正和增益控制； 4脚为死区时间调理，其上加0～3.3V电压时可使 截止时间从2%线性变化到100%； 5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；
TL494芯片
7脚为接地端； 12脚为电源供电端； 14脚为5V 基准电压输出端 8、9 脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级 输出三极管集电极和发射极 13 脚为输出控制端，控制输出方式
BUCK电路设计实例
8.控制常数的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定 控制芯片应用
BUCK电路设计实例
8.控制芯片选择
TL494、UC3525
频率f的确定
控制IC 电感L1的确定 设计值的确定
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
P d Vf Io 1 D 0.55 (1
再根据数据计算，选择合适的散热片即可
输出驱动
频率f的确定 过流限流控制 电感L1的确定
零死区 开关频率 单端输出
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
9.设计值的确认
FET的输入电容为Ciss时，则驱动FET时的损耗 P 值可由下式求得 drive
P pF(24 V )2 200kHz 0.16 drive CissV i f 1350
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
5.C1的确定 Ic1的有效值为
BUCK电路设计实例
5.C1的确定
因为电压为24V，故选用C1为PL系列中35V470uF的两个并 联，允许纹波可从表1中查出，一个是1420mA 两个并联就是2840mA,比前面计算出的 Ic1rms 要大，满足设计要求
1.2 ) 1.9W 5
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算 本应用是由24V输入,以5V输出，电压较低， 所以功率器件采用MOSFET 功率MOSFET的Vds最大值为24V，故选用最大额定电压时，须在40V以上。 因漏极电流的额定，须在10A以上，为使其损耗减少，采用Ron与Ciss两者 均小的FET较好，于是采用2SJ372.参数如下表
反馈控制
反复试验专用集成电路的脉宽调制特性 充分掌握IC各脚工作电压和电流实测数据变化范围、 变化速率、变化方向 反复调节IC外围阻容参数，直到完全有把握 按照控制电压－模拟加压－实际加压的过程进行调试
应用电路
BUCK电路设计实例
9.设计值的确认
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电压反馈环路 电压反馈控制 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
I c1rms
1 .2 3 .8 3 .8 2 1 .2 2 2135 mA 5 5
电压/V(DC)
电容量/uF 外型尺寸
10 35
开关电源用的电解电容 阻抗/欧姆 20℃/100kHz "-10℃/100kHz 1500 10×31.5 0.045 0.09 470 10×31.5 0.046 0.092
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
考虑到肖特基二极管的通态压降 V f 0.5V ，电感上的电 阻所产生的压降 VL1 0.1V ，FET上的导通压降 Von 0.5V ，
输出控制
• 13 脚为输出控制端 • 该脚接地时为并联单端输出方式 • 接14脚时(高电平)为推挽输出方式
输入反馈
闭环回路的反馈信号送给TL494的误差放大器I的 IN+同相输入端；设定输入信号是由TL494的5V 基准电压源经电位器分压，接入TL494的误差放 大器I的IN-反相输入端 TL494的误差放大器I进行比较放大，输出控制电 压，与脉冲宽度成反比的、变化范围为0～10V的 直流电压。形成闭环单回路控制。 如果只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放 大器II的IN+（16脚）接地、IN-（15脚）接高 电平。
BUCK电路设计实例
7.功率MOSFET的选用及损耗的计算 开通使损耗Pon的值为
2 on 若 t r 0.1s
P RonId D 0.152 0.24 0.6W
MOSFET开通时的损耗Pr值为
1 t 1 0.1 Pr V1 I d 1 r 24 4.5 0.36W 6 T 6 5
允许纹波电流/mA(rms) 105℃/100-200kHz 1440 1420
BUCK电路设计实例
5.C2的确定
仅根据容量设计公式，容量设计明显偏小（18uF）
BUCK电路设计实例
6.二极管D1的选定及损耗计算
C Ts2Vo 8LVo (1 D)
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
BUCK电路设计实例
南航 电力电子 课程组
现一个24V-5V的DC-DC变换器为例，介绍 BUCK电路的设计。
BUCK电路控制与设计实例
Vi
陈新
Vo
chen.xin@nuaa.edu.cn
课程组网站：
控制电路
http://cae.nuaa.edu.cn/powerelec
1
BUCK电路设计实例
BUCK电路设计实例
C1及C2的确定
4
TL494芯片
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动 型脉宽调制控制集成电路，典型的固定频率脉宽 调制控制集成电路 TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电 路、死区调整电路、两个误差放大器、脉宽调制 比较器以及输出电路等组成。 它包含了控制开关电源所需的全都功能，可作为 BUCK、单端正激双管式、半桥式、全桥式开关 电源的控制系统
MOSFET关闭时的损耗Pf,若 t f 0.1s 及MOSFET关闭时，FET的浪涌电 压为36V，则Pf的值为
tf 1 1 0.1 0.66W Pf Vdsp I dp 36 5.5 T 6 6 5
Q的损耗是三种损耗的总和，其值为
P W q P on P r Pf 0.6 0.36 0.66 1.62
BUCK电路设计实例
3，频率f的决定
Vi、Vo及Io等输入、输 出参数确定 电路及控制IC的确定 二极管D1的确定 与损耗的计算 功率MOSFET的选用 及损耗的计算 控制常数的确定
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
BUCK电路设计实例
3.频率f的确定 目前，一般所使用的频率范围，多为100500KHz之间。此项设计实例中采用200KHz 振荡频率除可按控制IC的数据手册说明，由外部 电容与电阻确定 频率f较高时，则效率不佳；较低时，L1和C2等 零件的体积增大，使动态负载变动难以减少
Vo 5.0V
BUCK电路设计实例
4.电感L1的确定
T=1/200KHz=5us 因此Ton=1.2us D=0.24 若取△I1为输出电流的20%，则
Toff Ton
Vi Vo Von VL1 3.28 Vo Vf VL1
△I1=0.2Io=0.2*5.0A=1.0A 所以 V V V V L1 1 o on L1 Ton 22H I1
2
又DC-DC 变换器的总损耗P值为 于是可得效率eff值为
PP W d P q P drive 3.7
eff Vo I o / Vo I o P 5V 5 A5V 5 A 3.7 87%
装配完成后，还要观察其实际工作，并测定QD1C1C2的温度上升值， 以确定其温升是否在设计温度范围内。而且要观测各处的波形，与设计值 不致有过大差异方可。
反馈控制
输出脉冲的宽度是通过正极性锯齿波电压与另外 两个控制信号进行比较来实现。 只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。 如果输出电压过高，控制信号变大，输出脉冲宽 度减小。
5
反馈控制
电源专用集成电路控制系统的特定性能 低压工作－>模拟加高压状态->加高电压实验 要求：
所需的ESR值，可计算得出
ESR Vo / Ic2 0.03/1.00 30m
若额定电压为5V，从电容器PL系列中选用10V、1500uF的电容，因其阻抗为0.045 ，两个并联为22.5 m ，满足设计要求， C2的纹波电流有效值为
频率f的确定
I c 2 rms I c 2 / 2 3 1.00 / 2 3 0.29 A
频率f的确定
电感L1的确定
设计值的确认
C1及C2的确定
1
BUCK电路设计实例
2.电路及控制IC的确定 其控制IC的特性，因输入电压为24V，可采用最 大额定电压须在30V以上的IC。 若所需的效率较高时，还可采用同步整流式控制 IC。 有时还得考虑系统的外部On/Off功能及软启动 等功能。