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干货|BUCK电路工作原理解析

最新更新时间:2022-01-17
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一、Buck电路原理图

Buck电路,又称降压电路,其基本特征是DC-DC转换电路,输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的,输出电流为连续的。


二、Buck电路工作原理

1、基本工作原理分析

当开关管Q1驱动为高电平时,开关管导通,储能电感L1被充磁,流经电感的电流线性增加,同时给电容C1充电,给负载R1提供能量。等效电路如图二

当开关管Q1驱动为低电平时,开关管关断,储能电感L1通过续流二极管放电,电感电流线性减少,输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持,等效电路如图三


三、Buck电路的三种工作模式:CCM,BCM,DCM


1、CCM (ContinuousConduction Mode),连续导通模式:在一个开关周期内,电感电流从不会到0。或者说电感从不“复位”,意味着在开关周期内电感磁通从不回到0,功率管闭合时,线圈中还有电流流过。


2、DCM,(Discontinuous Conduction Mode)非连续导通模式:在开关周期内,电感电流总会会到0,意味着电感被适当地“复位”,即功率开关闭合时,电感电流为零。


3、BCM(Boundary Conduction Mode),边界或边界线导通模式:控制器监控电感电流,一旦检测到电流等于0,功率开关立即闭合。控制器总是等电感电流“复位”来激活开关。如果电感值电流高,而截至斜坡相当平,则开关周期延长,因此,BCM变化器是可变频率系统。BCM变换器可以称为临界导通模式或CRM(Critical Conduction Mode)。



BCM




1、CCM Mode:关键点波形


负载电流IO与电感电流的关系,在一个周期内进行分析,负载电流即为在一个周期内电流的平均值。电流的平均值在数学上的表达式为:



即在一个周期内电流函数曲线与时间轴所围成的面积除以周期,为电流的平均值。参照图四电感电流波形,一个周期内面积为

BCM  Mode:关键点波形

可以得知电感最小电流逐渐减小到零时,工作模式也逐渐从CCM进入BCM。根据伏秒积平衡 :

DCM  Mode:关键点波形


电路系统工作在DCM模式下,需要满足两个条件,一、电感充磁开始以及消磁结束时流经电感的电流为零;二、电感消磁时间小于开关管关断时间。根据伏秒积平衡有:

同样,在一个周期对电感电流进行分析:

四、外围器件参数对系统工作模式的影响:


五、BUCK电路仿真验证:

2、CCM模式仿真验证:在上述BCM分析的基础上,得出储能电感的电感量80uH为临界点,由系统工作在CCM的条件,可以将储能电感电感量设置为120uH,理论计算:

参照图九,可以得出仿真结果,


来源:硬件十万个为什么

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