电源设计之buck变换(一)

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Buck 电路又称为串联开关稳压电路,或降压斩波电路。分为普通buck电路和同步buck电路,两者电路上的区别如下图所示,一个使用续流二极管,一个使用MOS管。它有两种基本工作模式,即电感电流连续模式CCM(Continuous current mode)和电感电流断续模式DCM(Discontinuous current mode) 电感电流连续是指输出滤波电感电流总是大于零,电感电流断续是指在开关管关断期间有一段时间电感电流为零,这两种状态之间有一个临界状态,即在开关管关断末期电感电流刚好为零。电感电流连续时,Buck 变换器存在两种开关状态;电感电流断续时,Buck 变换器存在三种开关状态;方波信号加到功率半导体器件的控制极,功率半导体器件在控制信号激励下,周期性的开关。通过电感中的电流 是否连续取决于开关频率、滤波电感和电容的数值。

上管导通时,电感电流线性增大,Vin同时给负载和电容C供电;上管不导通时,电感电流不能突变,产生右正左负的电动势,续流二极管导通(如果是同步buck,则是下管导通),电感继续给电容和负载供电。buck变换上管使用PMOS还是NMOS:
1、NMOS的导通电阻Rds小,PMOS的导通电阻大。

2、NMOS的驱动电路较复杂,往往需要浮地或者自举电路。

3、相同额定的PMOS比NMOS贵。

4、PMOS不能用于电流特别大的情况。

5、 NMOS适用于源极接地时的情况(低端驱动), PMOS适用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。

同步整流buck适用于低压大电流的情况,因为续流二极管(一般为肖特基)的正向压降为0.2~0.3v,而MOS的正向导通压降在0.1v,相差0.2V左右,如果是高压提升的效率不大,并且解决成本升高。对于低压情况(如3.3v)提升的效率可达到6%。同步整流buck需要注意一下几点:

1、上管和下管共态导通(MOS的结电容太大导致一管未完全关闭,另一管已经导通)导致Vin对地短路,容易烧坏MOS管和IC。

2、下管关断时,体内寄生二极管存在方向恢复问题。

3、当上管关闭,下管未完全导通时,此时有下管内部的寄生二极管(导通压降较大)续流,并且此时电感电流最大,因此MOS管的温度会上升,效率也会变低。在成本允许的情况下可以在下管旁边并联一个肖特基,用于在下管未完全导通时续流,可减少下管内部寄生二极管的发热。

BUCK 变换器设计步骤
1. 选择续流二极管D。续流二极管选用快恢复二极管,其额定工作电流和反向耐压必须满足电路要求,并留一定的余量。
2. 选择开关管工作频率。最好选用工作频率大于20KHz,以避开音频噪声。工作频率提高可以减小L 、C ,但开关损耗增大,因此效率减小。
3.开关管Q可选方案:MOSFET、IGBT、GTR。
4.占空比选择。为保证当输入电压发生波动时,输出电压能够稳定,占空比一般选0.7 左右。
5.确定临界电感,电感选取一般为临界电感的 10 倍。

6.确定电容。电容耐压必须超过额定电压;电容必须能够传送所需的电流有效值;

此篇文章只介绍概念以及大体的设计框架,关于电感量、电容、电流纹波以及输出电压纹波系数留到下一篇文章在介绍。

文章转载自:baihengpei的博客

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