在本教程中，我們將看到一個涉及降壓轉換器的模擬。使用的主要電子軟件是LTspice，這是一種高性能 SPICE仿真軟件、原理圖捕獲和波形查看器，具有增強功能和模型，可簡化模擬電路的仿真。它可以在這里免費下載。

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降壓轉換器

降壓或降壓轉換器是一種廣泛使用的 DC/DC 開關穩壓器。制造商提供帶有控制器的降壓集成電路。降壓型 DC/DC 轉換器是一種能夠將輸入電壓轉換為低于輸入電壓的輸出電壓的設備（降壓，V _OUT < V _IN）。降壓轉換器由一個由方波驅動的開關（用 MOSFET 制成）、二極管和 LC 濾波器組成。PWM 的頻率值與 L1 和 C1 的值一起決定了電路中的輸出電壓。負載也可以決定輸出電壓。當 M1 處于“導通”階段且二極管被阻斷時，在第一階段，電感上的電壓為：

VL1(on) = V _IN – V _OUT

當 M1 處于“關斷”狀態且二極管導通時，在第一階段，電感上的電壓為：

VL1(off) = –V _OUT

電氣方案

我們來看看圖1中的接線圖，它是一個降壓轉換器，具有以下特點：

• 電源：50 VDC
• 開關元件：頻率為 20 kHz 的 IRF530
• 電感：400 uH
• 電容器：100 μF
• 負載：30Ω

圖 1：降壓轉換器的電氣原理圖

模擬

讓我們通過執行觀察以下參數的初步模擬來開始對降壓轉換器的研究：

• 電路的輸入電壓
• 負載上的輸出電壓
• 允許開關狀態的脈沖方電壓

模擬持續 2 ms，因此您可以觀察 40 個振蕩周期。在圖 2 中，我們可以看到三個軌道：

• 綠色軌跡顯示 50V 電路電源電壓 (VCC)。
• 青色軌跡顯示了 45V 脈沖串，用于打開和關閉 MOSFET (Vgate)。
• 紅色軌跡顯示了 30Ω 負載 (V _OUT )上電路輸出的 20V 電??壓。

圖 2：在此仿真的圖表中，我們可以觀察到輸入電壓、輸出電壓和開關信號。

根據該電路中使用的元件的電流值，我們可以注意到一些情況：

• 20 VDC 的輸出信號在 1 ms 瞬變后穩定，在 0.2 ms 處達到 35 VDC 的峰值（圖 3a）。設計人員必須評估這個初始電壓增加，以避免損壞設備。
• 輸出信號受 0.8V 紋波影響（圖 3b）。它可以通過增加電容器C1的電容來減少或消除。電容器的值被故意選擇得較低，以更好地突出紋波。

圖 3：輸出信號的初始峰值 (a) 及其紋波 (b)

電感上的電流

電感上的平均電流大約等于輸出電流。在“導通”階段，MOSFET 中的電流將等于電感中的平均電流加上紋波。反之亦然，在“關閉”階段，在 D1 中循環的電流將等于電感中的平均電流加上電流紋波的總和（圖 4）。在我們的示例中，電流約為 700 mA。

圖 4：降壓轉換器的電感 I(L1) 和負載 I(R1) 上的電流

觀察電感器上流動的電流圖也很有趣，與 MOSFET 柵極上的脈沖串相對應（圖 5）。所檢查電路的效率約為 77%。

圖 5：電感器上的電流與 MOSFET 上的脈動電壓的關系圖

噪音和干擾

降壓轉換器由于其開關中頻和電抗元件的存在，會產生電噪聲，并且在某些情況下，可以像真正的無線電一樣在附近傳輸電信號。電路產生的許多振蕩頻率遠高于 MOSFET 的正常開關頻率。讓我們看看圖 6中的圖表。它測量二極管陰極從初始時間到 1 ms 之間的瞬變電壓。換句話說，這是 MOSFET 的“源極”輸出端的電壓。該圖將此電壓與通過電感器 L1 的電流相關聯。當電流達到其平均值時，高頻噪聲結束。

圖 6：降壓轉換器會產生高頻電噪聲。

噪聲頻率約為 420 kHz。在圖 7 中，我們可以在 LC 濾波器之前觀察 MOSFET 輸出端的頻譜圖。在其中，我們可以看到 20 kHz 的開關信號，故意高于人類的聽力閾值。

圖 7：MOSFET 源極的頻譜圖

I2C 降壓型開關穩壓器

有許多集成電路可以實現整個降壓轉換器系統。其中之一是 ADI 公司的 LTC1707 型號。它是一種采用固定頻率架構的高效單片電流模式同步降壓穩壓器。工作電源范圍為 8.5 V 至 2.85 V，使其適用于單節和雙節鋰離子電池供電應用。突發模式操作可在低負載電流下提供高效率。100% 占空比提供低壓差運行，延長電池供電系統的運行時間。開關頻率在內部設置為 350 kHz，允許使用小型表面貼裝電感器。對于噪聲敏感應用，它可以在外部同步高達 550 kHz。圖 8顯示了 LTC1707 和 3.3V 輸出在 30Ω 負載上的應用。

圖 8：LTC1707 降壓型開關穩壓器

在示例中，負載消耗的功率為 0.355813 W，電池產生的功率為 0.371479 W。其他組件損失的功率為 0.01566 W。在這些條件下，帶有 LTC1707 的降壓轉換器的效率為 95.78 %。效率不是固定的，而是根據電路的輸入電壓和負載而變化，如下表（表 1）所示。

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