[电路]开关电源拓扑结构_Buck_Boost_Buck-Boost

开关电源拓扑结构,Buck电路,Boost电路,Buck-Boost电路,同步VS.非同步

开关变换器优缺点

优点

  1. 能够达到最高的效率
  2. 可以实现多种不同的拓扑结构:

VO>VIN(Boost)V_O>V_{IN}\Rightarrow(Boost)

VO<VIN(Buck)V_O<V_{IN}\Rightarrow(Buck)

VINmin<VO<VINmax(BuckBoost)V_{IN_min}<V_O<V_{IN_max}\Rightarrow(Buck-Boost)

()负压输出\Rightarrow(反极性)

  1. 可实现隔离变换
  2. 可满足更多设计的需求

缺点

  1. 在系统中引入了磁场
  2. 不可避免的开关噪声
  3. 是比较复杂的解决方案

板上电源常见的非隔离拓扑

输出总是低于输入

VOUT=VIN×DV_{OUT}=V_{IN} \times D

输出总是高于输入

VOUT=VIN÷(1D)V_{OUT}=V_{IN} \div (1-D)

输出可能低于输入,也可能高于输入

VOUT=VIN×D1DV_{OUT}=-V_{IN} \times \frac{D}{1-D}

VOUT=VIN×DorVOUT=VIN÷(1D)V_{OUT}=V_{IN} \times D \\ \textbf{or} \\ V_{OUT}=V_{IN} \div (1-D)

Buck电路

Buck电路构成

  • Buck变换器又称降压电路,其基本拓扑如图所示

Buck工作原理

  • Buck变换器工作在电感电流连续模式下的工作原理如下

  • 开关管的导通与关断受控制电路输出的驱动脉冲控制。当控制电路脉冲输出高电平时,开关管导通续流二极管D阳极电压为零,阴极电压为电压电压Us,因此反向截止,开关上流过电流is流经电感L向负载R供电;此时L中的电流逐渐上升,在L两端产生左端正右端负的自感电势阻碍电流上升,L将电能转化为磁能存储起来。

  • 经过时间ton后,控制电路脉冲为低电平,开关管关断,但L中的电流不能突变,这时电感L两端产生右端正左端负的自感电势阻碍电流下降,从而使D正向偏置导通,于是L中的电流经D构成回路,电流值逐渐下降,L中储存的磁能转化为电能释放出来供给负载R。

  • 经过时间tof后,控制电路脉冲又使开关管导通,重复上述过程,即可实现电路的降压。

  • 在稳态、连续(CCM)、器件理想的情况下,电感电流在开通和关断电流变换相等,开通关断伏秒积平衡,VO=VINDV_O=V_{IN}*D

  • 需要注意:

  1. 滤波电容C的作用是为了降低输出电压Uo的脉动。
  2. 续流二极管D是必不可少的元件,若无此二极管,电路不仅不能正常工作,而且在开关管由导通变为关断时,L两端将产生很高的自感电势从而损坏开关管。

Buck数学公式

  • 开通关断伏秒积平衡:

VOUT=VIND;D=tONfSV_{OUT} = V_{IN} \cdot D ; D=t_{ON} \cdot f_S

  • 电感上的纹波电流:

ΔIL=VOUT(1VOUT/VIN)LfS\Delta I_{L} = \frac{V_{OUT} \cdot (1-V_{OUT}/V_{IN})}{L\cdot f_S}

  • 可推得所需电感值:

L =\frac{V_{OUT}\cdot (1-V_{OUT)/V_{IN}}{\Delta I_{L}\cdot f_{S}}

需要注意,当输出电压固定时,最大纹波电流出现在最高输入电压时。故在实际设计中,需要按照最高输入电压进行计算。
一般原则:电感上的纹波电流ΔIL=0.2IOto0.4IO\Delta I_{L} = 0.2\cdot I_O \quad to \quad 0.4\cdot I_O来计算实际使用的电感量

  • 电感上的最大电流:

IL(MAX)=IOUT+0.5ΔILI_{L(MAX)} = I_{OUT} + 0.5\cdot \Delta I_{L}

要求电感上的最大电流IL(MAX)I_{L(MAX)}应小于电感的饱和电流

  • 输出电压纹波:

VRIPPLE=ΔIL(ESRCOUT+18fsCOUT)V_{RIPPLE}= \Delta I_{L} \cdot (ESR_{C_{OUT}}+ \frac{1}{8f_sC_{OUT}})

电感输出的纹波电流会在输出滤波电容上产生纹波电压,其纹波电压由电容的容性分量与阻性分量两部分组成。

  • 输入电容纹波电流:

ICIN(RMS)=IOUT(MAX)η(D(1D))I_{C_{IN}(RMS)}=\frac{I_{OUT(MAX)}}{\eta}(\sqrt{D(1-D)})

当D=0.5时,输入电容的纹波电流最大

非同步vs.同步Buck

非同步Buck

  • 非同步Buck使用肖特基二级管作为续流管

同步Buck

  • 同步Buck电路采用通态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管作为续流管
  • 同步Buck能够大大提高DC/DC的变换效率且不存在由于肖特基二极管势垒电压而造成的死区电压。

Boost电路

Boost电路构成

  • Boost变换器又称升压电路,其基本拓扑如图所示

Boost工作原理

  • Boost变换器工作在电感电流连续模式下的工作原理如下
  • 在充电过程中,开关闭合(三极管导通),等效电路图入下图所示,开关(三极管)处用导线代替。这时,输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电,所以电感上的电流以一定的比率线性增加,这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加,电感里储存了一些能量。
  • 当开关断开(三极管截止)时,由于电感的电流保持特性,流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开,于是电感只能通过新电路放电,即电感开始给电容充电,电容两端电压升高,此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时,电感吸收能量,放电时电感放出能量。如果电容量足够大,那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。
  • 这个通断的过程不断重复,就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
  • 在稳态、连续(CCM)、器件理想的情况下,电感电流在开通和关断电流变换相等,开通关断伏秒积平衡,VO=VIN/(1D)V_O=V_{IN}/(1-D)
  • 需要注意:
  1. 滤波电容C的作用是为了降低输出电压Uo的脉动。
  2. 续流二极管D是必不可少的元件,若无此二极管,电路不仅不能正常工作,而且在开关管由关断变为导通时,电容C两端的电压会通过MOS管对地短路,从而放出积累的电荷。

Boost数学公式

  • 开通关断伏秒积平衡:

VOUT=VIN1D;D=1VINVOUTV_{OUT} = \frac{V_{IN}}{1-D} ; D=\frac{1-V_{IN}}{V_{OUT}}

  • 电感上的纹波电流:

ΔIL=VINLTON=VIN(1VIN/VOUT)LfS\Delta I_{L} =\frac{V_{IN}}{L\cdot T_{ON}}= \frac{V_{IN} \cdot (1-V_{IN}/V_{OUT})}{L\cdot f_S}

  • 可推得所需电感值:

ΔIL=VIN(1VIN/VOUT)ΔILfS\Delta I_{L} = \frac{V_{IN} \cdot (1-V_{IN}/V_{OUT})}{\Delta I_L\cdot f_S}

需要注意,当输出电压固定时,最大纹波电流出现在最高输入电压时。故在实际设计中,需要按照最高输入电压进行计算。
一般原则:电感上的纹波电流ΔIL=0.2IOto0.4IO\Delta I_{L} = 0.2\cdot I_O \quad to \quad 0.4\cdot I_O来计算实际使用的电感量

  • 电感上的最大电流:

IL(MAX)=IOUT+0.5ΔILI_{L(MAX)} = I_{OUT} + 0.5\cdot \Delta I_{L}

要求电感上的最大电流IL(MAX)I_{L(MAX)}应小于电感的饱和电流

  • 输出电容纹波电流:

ICOUT(RMS)=IOUT(MAX)(D/(1D))I_{C_{OUT}(RMS)}=I_{OUT(MAX)}\cdot(\sqrt{D/(1-D)})

输出电容的纹波电流,D越大,输出电容的压力也就越大

Boost电路特点

  • 因为二极管D1的存在,即使是同步整流,也有体二极管存在,那么带来的问题:
  1. 输出不能短路;
  2. 输入,输出不能彻底断开,存在输入到输出的漏电路径。即,即使在关闭Boost电路时,电路仍会输出与输入电压相同的一个电压值。

升降压同步BUCK-BOOST

  • 对于实际的使用场景,我们可能需要一个技能格升压又可以降压的升降压电路。如锂电池2.8V-4.3V, 输出3.3V。

BUCK-BOOST工作原理

  • 升降压同步BUCK-BOOST电路,结合了同步BUCK和同步BOOST的工作原理
  1. 降压模式工作(Vin>Vo):S3始终闭合, S4始终断开;S1/S2互补导通,和BUCK工作模式完全一样。
  2. 升压模式工作(Vin<Vo):S1始终闭合,S2始终断开。S4/S3互补导通,和BOOST工作模式完全一样。
  3. 升降压工作模式 (Vin接近Vout) :S1/S2/S3/S4全部工作在开关状态。

BUCK-BOOST模式波形

Buck模式波形

Boost模式波形

Buck-Boost模式波形


参考:
和电源大咖一起夯基础(第二部分)