开关电源拓扑之BUCK电路详解

Buck电路原理
图15 电感电流不连续各点的波形
Buck电路原理
电感电流连续与不连续设定 电感连续与不连续的临界状况时满足：
Io=△iL /2 整理得出临界电感Lc 为： Lc=[Vo*(1-D1)]/(2*Io)=[Vo2*(1-D1)]/(2*Po*Fs) 式中 Vo —— 输出电压（V）
Fs —— 开关工作频率(Hz) ,Fs=1/Ts Po —— 变换器输出功率（W） ,Po=Io*Vo
图13： Buck变换器电路工作过程
Buck电路原理
电路各点的波形 按电感电流IL在周期开始时时否从零开始，可分为电感电流连续工作模 式和电感电流不连续工作模式两种，波形分别如下，对应的点 取 图12 中所示。
图14 ：电感电流连续各点的波形 图15 电感电流不连续各点的波形
Buck电路原理
图14 电感电流连续各点的波形
Buck线路组成
线路构架见图12 。图12 （a）所示为由单刀双掷开关S、电感元件L和电容C组 成的Buck变换器电路图。图12(b)所示为由以占空比D工作的晶体管Tr、二极管 D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流电压Vs转换成 直流电压Vo的功能。
图12 Buck线路构架
之 开关电源拓扑介绍
Buck转换器的分类
Buck转换器的分类
BUCK 转换器分类：
Buck 转换器是通过控制开关管的导通 ，后经输出滤波回路滤波输出电压。
Buck 转换器分为电压型与电流型控制 。 电压型控制器：
电压型控制的原理框图如图17所示。用电阻分压来检测输出电压Uo，Ur为给定 电压，Uc为检测电压与给定电压之间的误差，Uc为电压调节器（误差放大器） 的输出，即控制电压，它与锯齿波电压进行比较后，产生出占空比为Du，的脉 冲序列，此脉冲序列通过驱动电路去控制开关管V的通/断。 电压型控制的DC／DC PWM转换器的主要缺点是动态响应较慢，如当输人电 压跃变增加时，必须等到控制系统检测出负载电压上升时，才能产生负反馈调 节作用。
开关电源拓扑---BUCK
目录
开关电源拓扑概述 Buck 电路原理 Buck 转换器的分类 Buck 线路的设计 Buck 转换芯片应用实例
之 开关电源拓扑介绍
开关电源拓扑概述
开关电源拓扑概述
概述：
开关电源可以简单的认为是由功率级和控制电路组成 ，功率级为功率变换的主 体，主要是通过开关器件和电感、电容等器件实现功率变换。 主要特点是：通 过调节开关器件的工作状态，来取得所希望的功率变换和一定得输出。开关电
源的主要组成部分是开关型DC_DC变换器，它是整个变换的核心。
DC_DC变换器的基本拓扑分为非隔离式和隔离式两种。在非隔离式变换器的输 入到输出之间没有电气隔离，非隔离式拓扑主要有：Buck、 Boost 、Buckboost、 Cuk、 Zeta 、Sepic等。隔离式拓扑利用变压器实现了输入到输出的电 隔离，隔离式拓扑主要有：单端正激变换器、单端反激变换器、推挽变换器、 半桥变换器和全桥变换器等。
开关电源拓扑概述
基本的变换器拓扑如下：
S
L
+
D
C
R
-
图1:Buck
S
D
-
L C
R
+
图3: Buck-Boost
L
D
+
S
C
R
-
图2:Boost
L1
C1
+-
L2
-
S1
D C2
R
+
图4:Cuk
开关电源拓扑概述
S
C1
-+
L2
+
L1 D
C2
R
-
图5:Zeta
S
D1
L
+
T来自百度文库
D2
C
R
-
图7:单端正激变换器
L1
C1
Buck电路原理
当开关S在位置a时，有图13 (a)所示的电流流过电感线圈L，电流线性增加，在 负载R上流过电流Io，两端输出电压Vo，极性上正下负。当is>Io时，电容在充 电状态。这时二极管D1承受反向电压；
图13： Buck变换器电路工作过程
Buck电路原理
经时间D1Ts后（ton为S在a位时间，Ts是周期）,也即当开关S在b位时，如图 13（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电 流iL不变。负载R两端电压仍是上正下负。在iL<Io时，电容处在放电状态，有 利于维持Io、Vo不变。这时二极管D1，承受正向偏压为电流iL构成通路，故称 D1为续流二极管。由于变换器输出电压Vo小于电源电压Vs，故称它为降压变 换器。工作中输入电流is，在开关闭合时，is>0，开关打开时，is=0，故is是脉 动的，但输出电流Io，在L、D1、C作用下却是连续的，平稳的。
Buck电路原理 纹波电压 △V 流经电容的电流ic 是（il-Io）,ic对电容充电产生的电压△V称为纹波 电压，其波形如图16
图16 电容电压和电流波形
Buck电路原理
当ic 为t的线性函数时：
=(1/C)*(1/2)*( △il/2)*(Ts/2) =(△il*Ts)/(8*C) 由△il=[Vo*(1-D1)]*Ts/L 得到： △V =[Vo*(1-D1)*Ts2]/(8*L*C) 可以看到当开关频率 与输出和DUTY 一定时 ,LC 越大 ，输出的纹波电 压越小 。
+-
D
+
S
L2 C2
R
-
图6:Sepic
S
D
T
L
+
C
R
-
图8:单端反激变换器
开关电源拓扑概述
S1
D1
L
T
S2
D2
+
C
R
-
图9:推挽变换器
D1
L
C1
S1
T
D2
C2
S2
+
C3
R
-
D1
L
S1 S2
T
C
D2 S3 S4
图10:半桥变换器
+
R
-
图11:全桥变换器
之 开关电源拓扑介绍
Buck电路原理
Buck电路原理 Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳 压器。
Buck电路原理
上式中，对于Lc和D1 为固定值时，降压变换器的电流连续与否是由R = Vo/Io 值确定的。当R的欧姆值增大时，工作状态将从连续转化为不连续。另一方面 ，如果R和DTs 是固定的，则电感器的L<Lc 时，其工作状态由连续转化为不连 续。当Fs增大时，则保持开关变换器的连续状态工作的Lc降低。 从上图14、图15中可看到输入电流is是脉动的，与降压变换器的连续与否工作 状态无关。这个脉动电流，在实际应用中应受到限制，以免影响其他电器正常 工作。通常，电源Vs 和变换器的输入端之间会加上一些输入滤波器，这种滤 波器必须在开关变换器设计的早期阶段和建立模型过程就要预先进行考虑。否 则，在开关变换器与输入滤波器连接时，可能会引起意外的自激振荡。