電子發燒友App
一，降壓型（BUCK）拓撲
通過對上一章電源轉換器歷史的學習，胖友們已經知道了要提升電源轉換效率，必須使電源轉換器本身的消耗盡量小：1，晶體管要工作在放大區改成工作在飽和區（開關狀態）；2，為了防止電容器浪涌電流而將串聯的電阻器改成電感器。
雖然改用電感器后解決了電源轉換器效率的問題，但又引入了新的問題：如下左圖所示，在“開關”斷開的瞬間電感器會導致高壓電弧；如此我們便成功地將電容器的“浪涌電流”問題變成了電感器“高壓電弧”問題。一頓操作猛如虎，好像也沒變好嘛，但現在我們只能一條路走到黑，想一想怎么解決這個高壓電弧的問題呢？
“開關”關斷時出現感應電壓尖峰的原因是：先前流過電感器的電流不能中斷，需要續流回路，但又無路可走。所以電流自然地想要去突破電路中的“薄弱點”，即在“開關”、電感器甚至在相鄰電路中產生“電弧”來續流。但如果我們有意識的在電路中提供續流回路，那么“開關”關斷時的電感器電流就無序流過開關，而由續流回路續流，這樣就不會出現問題；電感器也不會以“高壓電弧”的形式來泄放。于是產生了降壓電源拓撲，如上右圖所示。
1，降壓型（BUCK）拓撲原理
如下圖所示為降壓型（BUCK）電源拓撲的結構示意圖，具體組成結構如下：
—— Q1，D1，L0和C0器件是BUCK電源電路的功率器件，構成了開關電源拓撲的主體。
——Vref需要穩定的供電電源，所以有些電源控制器需要一個工作電源（例如：+5V），用于提供穩定的參考電壓。
- 被放大的誤差電壓Vea被輸入到脈寬調整放大器PWM；
- PWM脈沖輸入并以負反饋方式控制Q1的通斷。
電源拓撲結構是一個負反饋的電路系統：對輸出電源電壓（Vo）采樣（R1和R2）并與標準參考電壓（Vref）進行比較，如果輸出采樣電壓與參考電壓不等，那么需要改變“開關”的打開時間Ton，以響應輸出電源電壓的變化，從而形成一個閉環負反饋，達到穩態。
——我們看到的開關電源系統：輸入是Vin，輸出是Vout；但是對于電源環路來說Vout是輸出（電源拓撲的目的就是輸出一個設定的、穩定的電源電壓），但Vin并非是輸入，真正的輸入是Vref，所以在一定范圍內的輸入電壓（Vin）或則其變化時還能保持穩定的輸出電壓。（后續《環路穩定性》章節具體分析）
如下圖為BUCK電源拓撲電路中不同位置的信號波形，我們可以通過觀察它們的狀態來更深入理解BUCK電源拓撲的工作過程：
- 在Q1導通時（Ton）：V1電壓(b)上升為Vdc，此時D1截止，電流方向如綠色線所示：Vdc經過Q1（MOS管）和L0（電感器）輸出到C0（輸出電容器）和負載；Vo電壓(d)緩慢上升。
——電源Vdc給電感器L1“充電”，并對負載和C0（輸出電容）供電；此時電感器L0兩端電壓為Vdc-Vo，且電感器電流線性增加（V=L*dI/dt），所以在負載電流Io不變的情況下，輸出電壓Vo必然線性增加，可以看成“剩余電流”（電感器電流IL-負載電流Io，即：紋波電流）對電容C0的充電操作。
- 在Q1關斷時（Toff），電感器L0由于電流必須連續，繼續正向大電流，V1電壓（b）迅速下降直至0V（理想D1導通電壓為0V），此時二極管D1導通，電流方向如橙色線所示：GND經過D1和L0 輸出到負載；Vo電壓(d)緩慢減小。
——粗一看電流是從低電壓（GND）的地方流向高電壓（Vo），感覺這不科學啊，其實這非常地科學：在Ton時通過電感器L0儲存了能量，此時是將能量釋放出來，所以可將電感器L0看成是一個電源（有感應電壓，具體請復習：《電感器原理》章節）；對于電感器L0來說此時外加了一個-Vo的電壓，所以經過電感器L0的電流必然線性減小，在負載電流需求不變的情況下，輸出電壓Vo必然線性減小，同時還需要輸出電容器C0也向負載提供一部分電能。
- 輸入電容器串聯的是開關管（MOS管），所以輸入電容器的電流是斬波式（電流變化非常大）的，如下左圖紅色線所示，必然會影響輸入電源的波動；
——BUCK電源輸入電容器，我們一般選擇uF級別陶瓷電容，且盡量靠近輸入電源管腳。
- 輸出電容器串聯的是電感器，所以輸出電容電流相對來說是“平滑”的，穩態時負載電流Io是直流，所以并不會流入/流出輸出電容器，而流經輸出電容器的電流是：紋波電流；紋波電流一般設置負載電流Io的40%，即基于Io的±20%。如上右圖所示。
——電感器電流最大值為1.2Io，考慮降額一般選擇1.5Io電流值為電感器的額定工作電流。
- 由于負載電流Io需求突發減小，導致輸出電壓Vo上升，那么通過R1/R2的反饋電壓增加，誤差放大器輸出電壓Vea（a）減小，脈寬調制器輸出的高電平占比（c）將下降，反饋控制Q1導通時間（b）減少，從而降低輸出電壓Vo；
- 反之Vo下降，那么誤差放大器輸出電壓Vea（a）增大，脈沖調制器輸出高電平占比（c）上升，控制Q1導通時間（b）增加，從而提升輸出電壓Vo；形成負反饋機制，保證輸出電壓穩定。
如果是輸入電源電壓Vdc的突變是否會影響輸出呢？
按照現在原理來說輸入電源電壓Vdc增加，但是開關占空比不變（占空比是對輸出電壓的監控，而非輸入電壓），所以自然導致了輸出電壓的同步抬升，然后由輸出電壓的變化再反饋調整占空比。但事實并非如此，主要是Vt是隨輸入電源電壓波動的，所以當輸入電源電壓Vdc變大，那么PWM波的斜率會變大（更陡峭），所以占空比會隨輸入電壓Vdc成比例增加，從而保持輸出的穩定，如下圖所示。（具體后續《環路穩定性》專題詳細分析）
現在考慮在穩態時各器件的導通損耗，根據伏秒定律分析降壓拓撲：Von= Vin – Vsw -Vo，Voff= Vo-（-Vd）=Vo + Vd，Von* Ton = Voff *Toff；可得到占空比D = (Vo+Vd)/(Vin+Vd+Vsw)，二極管以及MOS管的壓降相對于輸入/輸出電壓比較小，所以可以簡化為：D = Vo/Vin；輸出電壓與輸入電壓之間的關系為：Vo = Vin * D。
2，“開關”占空比的問題
上一節我們通過伏秒定律推理出來了：BUCK電源的占空比與輸入電源電壓Vin和輸出電源電壓Vo的比例相關，即D ≈Vo/Vin。但是占空比居然跟負載電流Io無關，這就讓我有些費解：輸入電源Vdc通過電感器L0（電感器兩端電壓同樣為：Vdc-Vo）傳輸能量，按理來說在同樣Ton時間內，輸送的能量都是一樣的，而不同負載電流的開關電源傳輸能量并不一樣，所以Ton應該隨負載電流變化才對。而實際上BUCK電源在不同輸出電流情況下的占空比，卻大致一樣（不同負載電流的電源轉換效率不同，導致的占空比不同）。
我們接下來分析BUCK電源的兩個工作階段來解釋這個問題：
- BUCK電源處于穩態階段，電感器電流可以看成兩部分電流的疊加：直流電流IAVG和紋波電流IA，直流電流即負載電流（IAVG）部分保持恒定，而且開關電源占空比也保持不變；其實伏秒定律就是在穩態條件下的分析，如下圖所示；
- 如上圖所示，電感器最小電流ILmin并非固定不變，理論上可以是任意值，但確定的是不管是在“開關”閉合或關斷時電流都不會中斷（保持連續）；
——電感器的原理決定了流經電感器的電流不可突變。
- 直流電流在電感器和電容器上不會產生任何作用：電感器（串聯）對直流電流來說相當于短路，電容器（并聯）對直流電流來說相當于斷開，所以對于直流部分的負載電流，電感器和電容器都不會產生任何作用；但對BUCK電源來說直流部分也是能量傳輸；
——電感器的感值和電容器的容值在理論上并不能限制輸出電壓和電流的大小，所能影響的是輸出電源波動的部分：紋波電流和紋波電壓的大小。
- 所以我們就知道了，雖然都是輸入電源Vdc經過電感器L0充電相同的時間Ton，但是它只能決定在Ton時間段的電感器電流的變化（電流變化率一樣），而無法決定具體電流的大小（傳輸能量的大小），其差別在于直流電流的部分。
——負載電流雖然跟電感值沒有直接關系，但是與電感器/MOS管額定電流強相關；另外在實際設計中電感值和電容值也與負載電流相關的（具體后續《開關電源設計》章節分析）。
- 那如果負載電流Io從小突然變大呢？
1,首先負載電流Io突然變大，而此刻BUCK電源的輸出能力還未增加；
——通過上面的分析我們知道，電源的負載電流輸出能力取決于直流部分，而在穩態時直流部分電流是保持不變的。
2, Io需求增大，這部分增加的電能從輸出電容器或儲能大電容器提供，但不可避免的是輸出電源電壓Vo會降低；
3, 輸出電源電壓Vo降低，則開關電源會自動通過反饋環路增加“開關”占空比，加大電流輸出能力，即電感器直流電流IAVG增加；
4, 輸出電源電壓Vo由于開關電源輸出電流能力的提升，恢復到正常電壓值，此時IAVG已經增加，占空比恢復到D = Vo/Vin，但此時兩者輸出電流能力是不同的。以電源啟動工作為例，如下圖所示。
通過這個問題分析，我相信大家對BUCK電源中的電感器和電容器以及開關管（MOS管）的作用，有了一定的認識。我們再總結一遍：電感器的感性部分（電感值）和電容器的容性部分（電容值）只作用于輸出電源的紋波電壓和紋波電流。電感器、MOS管以及續流二極管的額定電流決定了輸出電流的上限。
——電感器的額定電流，取決于兩方面：1，繞組銅線的最大允許電流（表現為溫升）；2，磁芯飽和所允許最大電流（表現為電感值下降）。（具體請復習：《電感器原理》章節）
3，輸出電容器和紋波電壓的問題
根據電感公式，我們知道在相同電壓下感值L決定了電感器電流的變化率：dI/dt = V/L，即在開關BUCK電源拓撲中電感值影響了紋波電流的大小；但我們在實際工作中并不會直接去測量紋波電流的大小，而是看紋波電壓的大小，通過上一節的分析我們已經知道紋波電流并非流入負載端，而是流入輸出電容器中，所以紋波電壓ΔV = ΔI*Rc。其中I 是紋波電流，Rc為輸出電容器開關頻率對應的ESR（有關電容器ESR的概念，具體請復習：《電容器原理》相關章節）。
——實際上電容器模型由：電感、電阻和電容組成，但是在較低頻率下基本上等效于ESR；具體解釋如下圖所示。
如上分析僅僅是穩態情況下的紋波電壓由輸出電容器的ESR和紋波電流決定，如果負載電流突然變化，輸出電容器需要實現平滑輸出電源電壓的作用，所以綜合考慮，如下圖所示，對輸出電容器有如下要求：
- 輸出電容器選擇必須滿足紋波電壓的要求，最大輸出紋波峰峰值小于輸出電壓的1%；紋波電壓主要由輸出電容器的ESR（Ro）決定；ESR < Vripple_max/(Io*r)；
- 負載突增（動態負載）時，可接受最大電壓跌落：ΔVdrop；一般開關電源控制環路大約需要三個開關周期來響應并開始矯正輸出，以滿足負載突變的需求，在此期間由輸出電容器保持電平在Vdrop以上，由于I = C* dV/dt => C> (IΔt)/ΔV = (I3T)/ΔVdrop = (I3)/(ΔVdropf) = (3ΔIo)/( ΔVdropf)；
- 負載突減時，可接受最大電壓增加：ΔVover；假設負載從最大負載Io突變至0，所有電感能量傾瀉到輸出電容器中；1/2 C (V2x - V2o) = 1/2LI2o => C ＞(L* I2o)/[(Vx+Vo)(Vx-Vo)] ≈ (L I2o)/(2VoΔVover)。
工商網監
評論