BUCK电路学习笔记

Buck电路学习笔记
Buck电路基本框图：
图1.1
Buck电路的控制方式：
（1）：脉冲调制型：保持开关周期T不变，调节开关导通时刻t
on
，（PWM: Pulse Width Modulation）最常用，最容易实现
（2）：频率调制（调频型）：保持开关导通时间t
on
不变，改变开关周期T.
（3）：混合调制：同时改变t
on 和T，使得占空比t
on
/T发生改变。

Buck电路基本工作方式
MOS管Q和直流输入电压Vdc串联,通过Q的硬开通和硬关断，在VD处形成方波电压。

采用恒频控制方式，占空比可调,Q导通时间为T
ON。

A:Q导通时，VD点电压也应为直流输入电压Vdc（设Q导通，压降为0），电流流经串接电感L，流出输出端。

此时电感储能，并向电容C充电。

等效模型如下图：
图1.2
B:Q关断时，电感L产生反电动势，使得VD点电压，迅速下降到0，便变为负值直至二极管D（因其续流作用而被称为“续流二极管”）被导通，并钳位于-0.8V。

通过二极管续流，释放能量，电容C向负载供电。

等效模型如下图：
图1.3
Buck电路波形分析：
图1.4 Buck电路工作波形图
图1.4（ａ）为MOSFET 的PWM 驱动波形PWM ，占空比可调。

当Q 导通时，VD 点电压也应为直流输入电压Vdc （设Q 导通，压降为0），当Q 关断时，电感L 产生反电动势，使得VD 点电压，迅速下降到0，便变为负值直至二极管D 被导通，并钳位于-0.8V 。

此时假设二极管的导通压降为0V ，则VD 的波形如图（b ）所示。

当Q 导通时，VD 点电压直流输入电压Vdc ，由于VO 电压低于Vdc ，电感L 承受的电压为（Vdc-VO ），因为Vdc,VO 电压均为恒定值，所以电感两端的电压保持恒定，因此流经电感的电流线性上升其斜率为=∆∆t /I L Vo /)(Vdc -,L 为电感量，此时电感内部的电流变化如图1.4（e ）所示的上升斜坡，而MOSFET 内部的电流如图1.4（c ）所示。

当Q 关断时，VD 点电压，迅速下降到0V （假设二极管的导通压降为0V ），而电感的电流不能突变，电感产生反电动势以维持原来建立的电流，若未接续流二极管D ，则VD 点电压会变得很负以保持电感上的电流方向不变，但是此时续流二极管导通，使得电感前端的电压比地电位低于一个二极管的导通压降。

此时电感上的极性反相，使得流经续流二极管D 和电感L 的电流线性下降，直到MOSFET 关断结束时，回到电流初始值Ia 。

因为VD 点电压被钳位于1V （二极管的导通压降近似为1V ），VO 电压均为恒定值不变，所以电感L 承受的电压为（VO+1）V ，续流二极管D 和电感L 的电流下降斜率为 L
t /1Vo /I ）（+=∆∆L Vo /)1(+ ， 续流二极管的电流变化如图1.4（d ）,电感的电流如图1.4（e ）。

根据基尔霍夫电流电流定律KCL 可知:电感的电流等于MOSFET 的电流，续流二极管D 的电流之和，即IL=IQ+ID 。

根据图1.4（c ）、（d ）、（e ）便可以看出。

Buck 电路的三种工作模式：
（1） 连续工作模式
（2） 临界工作模式
（3） 不连续工作模式
判别条件为：
电流连续的条件为：
1m 1
e e αρρ->- 其中/M m E E =, /T ρτ=, 11/()()t T t T αρττ
== BUCK 电路PSIM 开环仿真：
（1） PWM 波形的产生方式：
PWM波产生控制框图
单极性调制的方式产生PWM波的波形图
生成PWM波的原理：
电压比较器的同相输入端(“+”端) 为一个基准电压，反相输入端为一个周期为T的锯齿波，当同相输入端电压>锯齿波的电压，输出端为高电平，电压幅值取决于电压比较器的供电电压，当同相输入端电压<锯齿波的电压，输出端为低电平。

在做闭环反馈时，只需要通过反馈环节不断的修改基准电压便可以产生可调的PWM波。

在进行PWM时，常用的方法有单极性调制和双极性调制两种方法。

其中调制波最常用的是正弦交流和直流电压源。

Buck电路主电路（连续工作模式）
连续工作模式
工作波形
输入输出关系
如图看见，输出电压大约为输入的一般，但是输出电压在启动时有较大的超调，且纹波较大。

我们采用增大输出滤波电容的方式抑制输出纹波，当输出电容改为220uF时，输出波形如下图：
纹波明显有所减小。

过冲依然存在。

我们尝试着加大电感来抑制过冲。

如下图我们把电感改为1000uH时，并没有有效的抑制过冲，并且调节时间被加大了，所以我觉得更为理想的方法应该是采用闭环控制。

修改电感为1000uH。

Buck电路闭环仿真图
输出电压作为反馈和给定电压作对比，对偏差进行PI控制，为了防止积分饱和，对积分输出限幅，作为调制信号输入比较器，从而达到调节PWM占空比的作用。

闭环仿真后输出电压波形较为平滑，且几乎没有超调，关于闭环控制的响应时间，超调量等相关参数可以根据实际所需调节比例和微分参数。

BUCK 电路设计参数计算
（1）开关管的选取：以MOSFET 为例进行参数的计算
主要参数:(1)最大漏极源极电压（Drain-Source Voltage ）
(2)连续漏极电流（Continuous Drain Current ）
(3)导通内阻)(ON DS R （Static Drain-Source On-State Resistance ）尽可能小，减少损耗。

(1)最大漏极源极电压由BUCK 电路的直流输入电压 决定的；
(2)连续漏极电流由MOSFET 的工作峰值电流决定
BUCK 电路工作于连续工作模式下，其 负载电流I ON 必须大于等于I Q 峰峰值的一半，可知其峰值电流等于 I ∆+21I ON ;而ON T I I *t ∆∆=∆，T Vdc
Vo T ON *=又因为L
Vo Vdc ）（-=∆∆t I ,所以MOSFET 的工作峰值电流为 T Vdc
Vo L Vo Vdc I **)(*21I 21I ON ON -+=∆+ 导通内阻)(ON DS R 是取决于选取的MOSFET 本身，与BUCK 电路无关。

（2）：续流二极管的选取
主要参数:（1）反向重复峰值电压Vrrm （Repetitive peak reverse voltage ）；
（2）最大整流电流（平均值） （Maximum average forward rectified current ）
（3）反向恢复时间Trr （Reverse Recovery Time ）
（1）反向重复峰值电压Vrrm 由BUCK 电路的直流输入电压Vdc 决定的；
（2）最大整流电流（平均值）O I 由续流二极管的工作峰值电流决定，续流二极管的峰值电流和MOSFET 的工作峰值电流一致，计算方法一致
T Vdc
Vo L Vo Vdc I **)(*21I 21I ON ON -+=∆+ （3）反向恢复时间Trr 由续流二极管的工作频率f 决定；
（3）输出电容的选取
主要参数:（1）耐压值；（2）容值。

（1）耐压值由BUCK 电路的
o)V Vdc -（决定的； （2）容值根据设计要求的纹波电压Vrr 来确定
BUCK 电路实物设计中的输出电容，并非理想电容。

它可以等效为一个寄生电阻O R ,一个电感O L 和一个理想电容O C 串联而成的。

如下图。

O R 称为等效串联电阻（ESR ），O L 称为等效串联电感（ESL ），因此输出电压的纹波由理想电容O C ，等效串联电阻O R （ESR ），等效串联电感（ESL ）O L 三者一起决定的。

对于低频电流，等效串联电感（ESL ）可以忽略不计，输出纹波主要有理想电容O C ，等效串联电阻O R （ESR ）决定。

对于一般的电解电容而言其O R *O C 值近似为一常数值，约为F *50106Ω-。

因此要计算输出电容
O C ，就要根据BUCK 电路要求纹波电压Vrr 计算出等效串联电阻
O R 。

I Vrr
R O ∆=,I ∆的算法与前面相似。

然后根据F R C O O 610*50-=，就可以计算出输出电容的容值。