降壓轉換器設計

我們將使用的電路如圖 1 的原理圖所示。這稱(chēng)為降壓或降壓轉換器。

Buck（降壓）轉換器仿真原理圖

圖 1. Buck（降壓）轉換器仿真原理圖

降壓或降壓轉換器可用于完成電源管理電路的常見(jiàn)任務(wù)：將標準系統級電壓（例如 12 或 28 V）降低至適合低功耗的 5 或 3.3 V 電源軌。電壓電子設備。

我說(shuō)“幫助”是因為圖 1 的拓撲只是開(kāi)關(guān)模式穩壓器的功率級。它不是一個(gè)完整的調節器，因為它缺乏反饋，因此無(wú)法鎖定指定的輸出電壓。

降壓轉換器原理圖和仿真詳細信息

在我們深入模擬和分析之前，讓我們先討論一下這個(gè) LTspice 原理圖的一些不太容易解釋的方面：

電源開(kāi)關(guān)型號
開(kāi)關(guān)頻率和占空比
在輸入端使用理想電壓源的含義之一
電感和電容值的選擇
電源開(kāi)關(guān)模型

物理轉換器電路中的功率開(kāi)關(guān)通常是場(chǎng)效應晶體管。在此模擬電路中，我使用電壓控制開(kāi)關(guān)，其規格由 .model MYSW SW(...) 語(yǔ)句確定。開(kāi)關(guān)特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通態(tài)電阻
1 MΩ 斷態(tài)電阻

閾值電壓位于 VSWITCH 生成的邏輯低 (0 V) 和邏輯高 (5 V) 電平的中間。

開(kāi)關(guān)頻率和占空比

VSWITCH 產(chǎn)生用于打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)的矩形波。使用 .param 語(yǔ)句，我定義了各種參數，使我能夠輕松控制關(guān)鍵切換特性。我指定振蕩器頻率和占空比，這是我的大腦直觀(guān)思考電路行為所需的值。這些用于計算周期和時(shí)間，這是 LTspice 的 PULSE 函數所需的值。

在輸入端使用理想電壓源進(jìn)行仿真

輸出電容器是轉換器操作不可或缺的一部分，因此在模擬電路和物理電路中都是必需的。物理電路還需要一個(gè)輸入電容器，其關(guān)鍵目的是降低源阻抗，從而使轉換器能夠更平穩地從輸入電源汲取強烈的突發(fā)電流。由于我的 SPICE 實(shí)現中的輸入電源具有零串聯(lián)阻抗，因此不需要輸入電容器。

電感和電容值的選擇

圖 1 中所示的電感 (100 H) 和電容 (1 F) 值是我使用本 TI 應用筆記中的公式計算得出的合理起點(diǎn)。我們將在以后的文章中探討電容器和電感器值的影響。

降壓轉換器仿真

我們首先運行一個(gè)占空比為 50%、負載電阻為 1 kΩ 的仿真。圖 2 是輸出電壓隨時(shí)間變化的圖。請注意，輸出電壓需要一些時(shí)間才能達到其穩態(tài)值。

降壓轉換器輸出電壓穩定

圖 2.降壓轉換器輸出電壓穩定。

開(kāi)關(guān)模式轉換器，包括我們稱(chēng)為電荷泵的基于電容器的開(kāi)關(guān)器，具有與輸出電容器充電所需的時(shí)間相對應的啟動(dòng)延遲。這種情況幾乎發(fā)生在任何電路中，因為某處總有一些電容需要充電。

然而，對于開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì )相當長(cháng)，因為充電電流受到開(kāi)關(guān)動(dòng)作的限制，并且要充電的電容量相對較大。

占空比對降壓轉換器輸出電壓的影響

如圖2所示，輸入電壓為12V時(shí)，穩態(tài)輸出電壓約為10.5V。占空比為50%，那么為什么輸出電壓遠高于輸入電壓的50%呢？

如果您已閱讀上一篇文章，您就會(huì )看到該圖（圖 3 中重復），其中濾波電壓的幅度直接對應于 PWM 波形的占空比。

直流電壓電平是 PWM 占空比的函數。
圖 3.直流電壓電平與 PWM 占空比的函數關(guān)系。

然而，該圖僅描述了對 PWM 波形進(jìn)行濾波的效果。而在開(kāi)關(guān)模式轉換器中，PWM 占空比只是影響 V IN與 V OUT比率的眾多因素之一。我可以將占空比保持在 50%，并通過(guò)修改電感值、負載電阻值或開(kāi)關(guān)頻率來(lái)顯著(zhù)改變輸出電壓。

這個(gè)討論很好地提醒我們，占空比并不是生成特定的固定輸出電壓的一種手段。相反，開(kāi)關(guān)模式穩壓器通過(guò)調整占空比來(lái)實(shí)現穩定的輸出電壓，作為負反饋實(shí)現的閉環(huán)控制方案的一部分。

因此，我們不能僅將占空比設置為 50%，并假設 V OUT = 6 V，V IN = 12 V。無(wú)論如何，我們都不想圍繞恒定輸入構建穩壓器電壓。我們更愿意設計一種能夠抵抗意外輸入變化并易于集成到可能具??有不同輸入電壓的新應用中的穩壓器。

在結束本節之前，我想簡(jiǎn)要提及 PWM 并不是執行開(kāi)關(guān)模式調節的方法。盡管不太常見(jiàn)，但脈沖頻率調制 (PFM) 在某些應用中是，因為它可以在輕負載條件下提供更高的效率。

降壓轉換器電感電流

我們將以圖 4 的圖來(lái)結束，該圖顯示了電感器電流相對于開(kāi)關(guān)控制電壓和輸出電流的關(guān)系。

降壓轉換器開(kāi)關(guān)電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負載電流（紅色底部）。
圖 4.降壓轉換器開(kāi)關(guān)電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負載電流（紅色底部）。

開(kāi)關(guān)控制電壓圖表達了開(kāi)關(guān)的狀態(tài)：當開(kāi)關(guān)控制信號為邏輯低電平時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，當信號為邏輯高電平時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)閉。根據開(kāi)關(guān)模式調節的基本原理，開(kāi)關(guān)始終被驅動(dòng)為完全導通或完全關(guān)斷，這意味著(zhù)它要么自由通過(guò)電流，要么完全阻止電流。

未經(jīng)修改，這種開(kāi)/關(guān)電流無(wú)法正確為電子電路供電，但電感器電流圖顯示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效應。通過(guò)電感器的電流不能瞬時(shí)變化，降壓轉換器的拓撲允許電感器將開(kāi)/關(guān)電流轉換為斜坡上升/斜坡下降電流。如光標虛線(xiàn)所示，當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，電感器電流開(kāi)始斜坡上升，當開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感器電流開(kāi)始斜坡下降。

對于電源目的而言，僅電感器電流就會(huì )產(chǎn)生太多紋波。然而，電感器與輸出電容器一起工作，提供足夠的濾波，以實(shí)現您在圖中看到的穩定、低紋波負載電流。請注意，負載電流是電感電流的平均值。