每天学习一个电子电路buck(一)0421

buck

特点:电感和输出电容连在一起降压。

线性电源 ->是模拟的(实时的)

开关电源 ->非模拟的(并不是实时的)

大压差(输出电压在3.3V)小功率的情况下使用 反激开关电源(利用了变压器的匝比)

电源->分压->输出

 高          低

分压是电源的内阻和负载进行分压得到低的电压。

此时,I1上的电流要等于I2上的电流,否者电压会产生波动,当I1上的电流大于I2上的电流的时候电压上升。当I1上的电压小于I2上的电流的时候,电压下降。

检测输出电容C13的电压,根据输出电容电压变化的趋势来进行电流I1的调整。

由此可以以关注两个参数:电容电压、电容充电电流(需要可调)。

只有电压才能直接控制和检测,电流是被动获取。

由于输出电容上的电压不能激变,电流可以激变,所以输出电容上可能会有浪涌电流,所以电感和电容进行串联可以抑制这个浪涌电流。设计电路需要考虑不安全因素,由于电感的电压可以激变,所以还需要考虑电感的尖峰电压,电感和电容进行并联可以抑制这个尖峰电压。(半导体损坏主要三个因素:电压击穿,电流击穿,热损坏)

此时需要滤除高频干扰,还需要在储能输出电容旁并联一个小电容,小电容和电感对高频信号进行分压,由于小电容对高频信号来言,它的等效内阻比较小(ESR),则高频信号可以滤除的很干净。

条件:

  1. PWM控制mos管
  2. 输出电压vo检测,还需要做一个电压环控制(外环)
  3. 防止电感的电流饱和,电流保护(内环)

要什么样的PWM控制mos管?这就需要回到拓扑来分析。假设此时的VCC电路在100V,那么MOS管的S级在导通过程中,电压就会从-0.7V到100V电压变化。

mos管的控制,本质来说是控制mos管的GS端,当GS的电压大于4.5V的时候,MOS管导通,小于4.5V时,MOS管关闭。由于这个4.5V的阈值比较小,所以MOS管的驱动级都是低压差电路。而此时S级的电压又从-0.7V到100V进行变化,这时候就意味着MOS管的驱动级就需要站在s级上(s级看成MOS管的浮动地),由于VCC的电压比较高,而且当MOS管导通的时候,S级电压等于VCC的电压,所以不能直接使用VCC来进行供电,而供电我们可以想到可以使用电容(自举电容)来进行供电,只要这个电容的容量比较大,就能保证MOS管的驱动电路能够正常的工作。

那要如何解决自举电容的充电问题?(假设输出电压为Vo)
搭建自举电容的充电回路。分析电路的三个步骤:初始上电状态,稳态工作状态,掉电过程。由于稳态工作状态是最好分析的,所以先分析稳态工作状态。
在稳态工作状态下,在MOS管在ON期间,由于S级电压与VCC的电压相等,所以自举电容的充电电压必须要大于VCC,而VCC和Vo的电压都无法大于VCC电压,所以Vcc和Vo在MOS管on状态下无法对自举电容充电。所以只能考虑MOS管在关断期间,电感续流对自举电容进行充电。

又由于自举电容的负端和S级相连,所以自举电容上的电流是可以回到电感的,现在就需要考虑如何将电感的正级给自举电容充电。由于直接相连,会导致高压直接到输出端,所以需要添加一个高压二极管在续流期间给自举电容提供充电回路。由此可以得到一个等效回路。

从这个等效回路可以看出如果MOS管一直在OFF期间,则自举电容的电压最终会等于Vo的电压。

由于控制系统的地是浮地,输出出地是真正的地,所以这两个地是不能直接联系在一起的,这时候就需要想办法检测输出电容的电压变化来改变PWM。一种比较粗糙并且省成本的办法是直接检测自举电容上的电压来代替输出电容的电压(适合衡定负载,相对稳定的负载,动态负载不适用)。另一种方法就是使用隔离的方案来实现。以下详细介绍隔离方案

隔离方案设计

器件选择

隔离的方案很容易想到可以使用光耦,光耦是一种电流型器件,所以光耦只能传递电流信号。除此之外,还需要一个高精度的度量尺,也就是一个高精度的电压基准,用来测量输出电压。比较经典的器件就是TL431。

设计mos前级驱动

系统要想稳定,就必须引入负反馈控制。

MOS管的开关本质来说就是给Vgs充放电。

设计PWM电路

占空比要可调

正反馈让系统更快进入饱和,负反馈让系统稳定。

三角波发生器

三角波的初略计算方式。
首先当比较器的1脚输出为高电平时的等效电阻网络电路如下:

这时候只看左边部分,6.2K和6.2K分压得到6V的电压,电流大概在1mA左右

首先当比较器的1脚输出为低电平时的等效电阻网络电路如下:

自举电容充电回路

自举电容怎么初始的时候有电。这时候可以从VCC去借电源,而当MOS管开通的那一刻,从源接电源的电路就自动失效,还要添加一个放反灌电路。由于驱动MOS管的电路是由自举电容供电的,所以自举电容上的电压就会不断下降,这个时候可以做一个欠压保护。

欠压保护

自举电容的初始能量和续存能量的怎么来的?
由前面可以知道,初始能量可以从VCC直接提供。