开关电源(1)之BUCK变换器工作原理及Multisim实例仿真

3
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
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 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 T T
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：
V Ton Toff 0
K1 I L1
XFG1
COM
4
V1 12V 0
D1 1N5824
C1 220µF
R1 5Ω
根据上图仿真结果，则有：
1.14 0.58
5.7 12
93.36%
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。
A
PR1
V
PR3
1
I: -1.55 A I(p-p): 15.9 A I(rms): 892 mA I(dc): 580 mA I(f req): 150 kHz
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
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
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 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：
Author: Jackie Long
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。 相关波形如下图所示：
9
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
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 IRF9640
A
PR4
L1 33µH
I: 1.14 A I(p-p): 5.86 mA I(rms): 1.15 A 2 I(dc): 1.14 A I(f req): 22.3 kHz
5
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
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。
Author: Jackie Long
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！ 如下图所示为线性稳压电源电路的基本原理图：
t
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：
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。 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、 EMI 等问题，下面我们简单介绍一下：
0
Vo
原来 来的纹波 波峰峰值
平 平均值
新的 的纹波峰峰 峰峰值
t
0
对于具体的 的 BUCK 拓扑降 降压芯片，厂 厂家都会提供 供典型的应用 用电路及相关 关的参数值，如下 所示为 TI 公司 司的集成降压 压芯片 LM259 96 典型应用电路图： 图所
我们也可以 以通过提高开 开关的频率来 降低纹波，这 这样，在同样 样的电感量与 与电容量条件 件下， 每次 次充放电的时 时间缩短了，这样纹波的 峰峰值就下降 降了，如下图 图所示：
1
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
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：
其中， 红线表 。 表示电感电流 流， 绿线表示 示开关后的电 电压， 蓝线表示输出电压（其值为 5.7V） 如下 看起 起来输出电压 压还是比较稳 稳定的， 我们将 将输出电压曲 曲线放大一下 下并测量一下 下其纹波值， 图所 所示：
7
6
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Au uthor: Jackie Lo ong
而监测的电 电路参数主要 要是开关之后 的电压、电感 感电流及输出 出电压（理论 论计算应为 6V） ， 我们 们看看下图所 所示的仿真结 结果：
8 ຫໍສະໝຸດ Baidu
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Author: Jackie Long
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：
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。 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：
我们用下图所示的电路参数仿真：
Q1 IRF9640 1 XFG1 V1 12V
COM
V
PR2
L1 33µH
A
PR1
V
PR3
2 4
3 C1 220µF 0 R1 5Ω
D1 1N5824
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：
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。 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：
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） 。
4
All rights reserved, NO Spreading without Authorization
Au uthor: Jackie Lo ong
Vo
纹波 波峰峰值 值 平均值 均值
t
纹波即上图 图所示的输出电压波动成 分的峰峰值， ， 自然是越小 小越好。 要降 降低纹波有很 很多途 径，增大电感量 量或电容量就是常用的途径 径之一，电感 感量或电容量 量增加后，充 充放电速度（时间 常数 数增大）都会 会下降，相应 应的纹波峰峰值 值也会下降， ，如下图所示 示：
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。
2
All rights reserved, NO Spreading without Authorization