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如何通过电感+MOS管实现BUCK降压和Boost升压

关于buck/boost升降压电路知识,学习整理如下。

BUCK/BOOST由升降压电路组成的三兄弟元件:1.电感,2.二极管,3.mos管。

电路用到:

1.基尔霍夫定律:电路上的电压之和等于0

2.法拉第电磁感应定律:这是电感作用的核心定律,

感应电势计算公式:E=nΔΦ/Δt(一般公式){E:感应电动势(V),n:感应线圈匝数,ΔΦ/Δt:磁通量的变化率}

自感电势计算公式:E自=nΔΦ/Δt=LΔI/Δt{L:自感系数(H)(线圈L有铁芯比没有铁芯大),ΔI:变化电流,变化电流,t:所用时间,ΔI/Δt:自感电流变化率(变化速度)}

从而得出:U=Ldi/dt==>Udt=Ldi

3.能量守恒定律:电感上储存的能量释放的能量

4.伏秒平衡原理:即电感处于稳定状态,开关导通时间(电流上升段)的伏秒数必须等于开关断开(电流下降段)时的伏秒数。

电感是储能元件,在升压电路中起着储能作用,有充放两个过程。

充电过程如下:PWM信号控制MOS当管道关闭时,左侧形成电路,完成电感充电和储能过程。此时,电感极性为左正右负,右环负载R无电流。

放电过程如下:PWM信号控制MOS管道处于关闭状态,电感极性转化为左负右正,和Vin串联叠加形成更大的电压,开始放电,此时右部环路上的电容输出端就是升高后的电压,负载R也有电流了。

有:

Uon * ton=Uoff * toff [1] 当MOS=ON时:Uon=Uin;ton=DT; //其中D是开启时PWM占空比。 当MOS=OFF时: Uoff=Uout;toff=(1-D)T;

代入公式[1]后,有

Uin * DT=Uout * (1-D)T; =》Vout/Vin=1/(1-D); 因为D<1此,输出电压比输入电压>1,即Vout > Vin,表示电路升压。D=50%,则Vout=2*Vin,放大2倍;D=80%,则Vout=5*Vin,放大5倍。可见PWM占空比越大,升压倍数越大。

开关电源中还有一个非常重要的概念:开关频率,如180KHz和400KHz,指PWM频率或MOS管道开关频率越高,输出电压波形越平滑,纹波越小,但对MOS管开关速度要求越高。

在BUCK在降压电路中,最重要的是PWM波 BUCK电压电路、电压电路的核心设备或电感,功率电感DC/DC升压电路和降压电路是必不可少的,DC/DC类开关电源IC采用PWM控制,电感在电路中充放电。Boost升压电路和Buck降压电路的原理与拓扑结构相似,但电感、功率开关和二极管的位置不同。

充电过程是:当功率MOS开关Q1关闭导通时,电源通过电感充电负载,并将电能储存在电感L和输出电容中。由于电感L的自感,开关关闭时电流增加缓慢,即输出不能立即达到电源的电压值。

放电过程是:一定时间后,当功率MOS开关Q1关闭时,由于电感L的自感,电路中的电流将保持不变,即从左到右继续流动。电流通过负载,从地面返回,流回小特基二极管的正极,通过二极管返回电感L的左端,形成电路。通过控制PWM占空比可控制输出电压。

在MOS开关关闭期间,电感储存能量,在断开期间释放能量,因此电感L称为储能电感,二极管负责在开关关闭期间为L提供电流通路,因此二极管称为续流二极管。

根据能量守恒,在稳态条件下,开关周期中电感两端电压的平均值为0,即伏秒平衡原理。根据开关周期中电感电流是否连续,有三种工作模式CCM连续电流模式,BCM临界电流模式和DCM不连续电流模式。

CCM在模式下,也按照伏秒平衡原则Uon * ton=Uoff * toff:

Von * DT=Voff * (1-D)T [2]

当MOS=ON时间:电感电压Von=Vin-Vout

当MOS=OFF时间:电感电压Voff=Vout

代入公式[2]后,有

(Vin-Vout) * DT=Vout * (1-D)T 推导出=> Vout/Vin=D ,其中PWM占空比D<1,故Vout<Vin,输出电压小于输入电压,因此降压,与负载电流无关。

各点波形如下:

电感进入DCM传输函数、电流和电压波形的模式将发生很大的变化CCM模式很大。根据伏秒平衡的原则,对最小负载电流值有要求:

(Vin-Vout)D1T=VoutD2T

推导出=》Vout/Vin=D1/(D1 D2)。同样得出Vout<Vin。

MOS开关管闭合导通时,二极管的截止时间为D1T;

MOS开关管开启截止时,二极管的导通时间为D2T;

MOS开关管和二极管的截止时间为(1)-D1-D2)*T,D与电路参数有关。

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