本文將詳細(xì)分析降壓 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器的工作原理。使用 SPICE 仿真，我們將研究輸出電壓穩(wěn)定、電壓紋波以及電感器和負(fù)載電流。

之前提供了開(kāi)關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)的高級(jí)概念概述。電路一點(diǎn)通想在理論處理之后使用 LTSpice （ADI旗下一款免費(fèi)的SPICE類仿真軟件）來(lái)徹底檢查電流和電壓行為，以模擬開(kāi)關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

我們將使用的電路如圖 1 的原理圖所示。這稱為降壓或降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 1.?Buck（降壓）轉(zhuǎn)換器仿真原理圖

降壓或降壓轉(zhuǎn)換器可用于完成電源管理電路的常見(jiàn)任務(wù)：將標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)級(jí)電壓（例如 12 或 28 V）降低至適合低功耗的 5 或 3.3 V 電源軌。電壓電子設(shè)備。

說(shuō)“幫助”是因?yàn)閳D 1 的拓?fù)渲皇情_(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器的功率級(jí)。它不是一個(gè)完整的調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗狈Ψ答?，因此無(wú)法鎖定指定的輸出電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器原理圖和仿真詳細(xì)信息

在我們深入模擬和分析之前，讓我們先討論一下這個(gè) LTspice 原理圖的一些不太容易解釋的方面：

電源開(kāi)關(guān)型號(hào)

開(kāi)關(guān)頻率和占空比

在輸入端使用理想電壓源的含義之一

電感和電容值的選擇

電源開(kāi)關(guān)模型

物理轉(zhuǎn)換器電路中的功率開(kāi)關(guān)通常是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在此模擬電路中，使用電壓控制開(kāi)關(guān)，其規(guī)格由 .model MYSW SW(...) 語(yǔ)句確定。開(kāi)關(guān)特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通態(tài)電阻

1 MΩ 斷態(tài)電阻

閾值電壓位于 VSWITCH 生成的邏輯低 (0 V) 和邏輯高 (5 V) 電平的中間。

開(kāi)關(guān)頻率和占空比

VSWITCH 產(chǎn)生用于打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)的矩形波。使用 .param 語(yǔ)句，定義了各種參數(shù)，使我能夠輕松控制關(guān)鍵切換特性。我指定振蕩器頻率和占空比，這是我的大腦直觀思考電路行為所需的值。這些用于計(jì)算周期和時(shí)間，這是 LTspice 的 PULSE 函數(shù)所需的值。

在輸入端使用理想電壓源進(jìn)行仿真

輸出電容器是轉(zhuǎn)換器操作不可或缺的一部分，因此在模擬電路和物理電路中都是必需的。物理電路還需要一個(gè)輸入電容器，其關(guān)鍵目的是降低源阻抗，從而使轉(zhuǎn)換器能夠更平穩(wěn)地從輸入電源汲取強(qiáng)烈的突發(fā)電流。由于 SPICE 實(shí)現(xiàn)中的輸入電源具有零串聯(lián)阻抗，因此不需要輸入電容器。

電感和電容值的選擇

圖 1 中所示的電感 (100 μH) 和電容 (1 μF) 值是我使用本 TI 應(yīng)用筆記中的公式計(jì)算得出的合理起點(diǎn)。我們將在以后的文章中探討電容器和電感器值的影響。

降壓轉(zhuǎn)換器仿真

我們首先運(yùn)行一個(gè)占空比為 50%、負(fù)載電阻為 1 kΩ 的仿真。圖 2 是輸出電壓隨時(shí)間變化的圖。請(qǐng)注意，輸出電壓需要一些時(shí)間才能達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值。

圖 2.降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，包括我們稱為電荷泵的基于電容器的開(kāi)關(guān)器，具有與輸出電容器充電所需的時(shí)間相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)延遲。這種情況幾乎發(fā)生在任何電路中，因?yàn)槟程幙傆幸恍╇娙菪枰潆姟?/p>

然而，對(duì)于開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)時(shí)間可能會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)，因?yàn)槌潆婋娏魇艿介_(kāi)關(guān)動(dòng)作的限制，并且要充電的電容量相對(duì)較大。

占空比對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的影響

如圖2所示，輸入電壓為12V時(shí)，穩(wěn)態(tài)輸出電壓約為10.5V。占空比為50%，那么為什么輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓的50%呢？

濾波電壓的幅度直接對(duì)應(yīng)于 PWM 波形的占空比。

圖 3.直流電壓電平與 PWM 占空比的函數(shù)關(guān)系。

然而，該圖僅描述了對(duì) PWM 波形進(jìn)行濾波的效果。而在開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，PWM 占空比只是影響 V?IN與 V?OUT比率的眾多因素之一?？梢詫⒄伎毡缺３衷?50%，并通過(guò)修改電感值、負(fù)載電阻值或開(kāi)關(guān)頻率來(lái)顯著改變輸出電壓。

這個(gè)討論很好地提醒我們，占空比并不是生成特定的固定輸出電壓的一種手段。相反，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，作為負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制方案的一部分。

因此，我們不能僅將占空比設(shè)置為 50%，并假設(shè) V?OUT?= 6 V，V?IN?= 12 V。無(wú)論如何，我們都不想圍繞恒定輸入構(gòu)建穩(wěn)壓器電壓。我們更愿意設(shè)計(jì)一種能夠抵抗意外輸入變化并易于集成到可能具有不同輸入電壓的新應(yīng)用中的穩(wěn)壓器。

在結(jié)束本節(jié)之前，電路一點(diǎn)通想簡(jiǎn)要提及 PWM 并不是執(zhí)行開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)的唯一方法。盡管不太常見(jiàn)，但脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 在某些應(yīng)用中是首選，因?yàn)樗梢栽谳p負(fù)載條件下提供更高的效率。

降壓轉(zhuǎn)換器電感電流

我們將以圖 4 的圖來(lái)結(jié)束，該圖顯示了電感器電流相對(duì)于開(kāi)關(guān)控制電壓和輸出電流的關(guān)系。

圖 4.降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負(fù)載電流（紅色底部）。

開(kāi)關(guān)控制電壓圖表達(dá)了開(kāi)關(guān)的狀態(tài)：當(dāng)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為邏輯低電平時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，當(dāng)信號(hào)為邏輯高電平時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)閉。根據(jù)開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)的基本原理，開(kāi)關(guān)始終被驅(qū)動(dòng)為完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷，這意味著它要么自由通過(guò)電流，要么完全阻止電流。

未經(jīng)修改，這種開(kāi)/關(guān)電流無(wú)法正確為電子電路供電，但電感器電流圖顯示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效應(yīng)。通過(guò)電感器的電流不能瞬時(shí)變化，降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湓试S電感器將開(kāi)/關(guān)電流轉(zhuǎn)換為斜坡上升/斜坡下降電流。如光標(biāo)虛線所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感器電流開(kāi)始斜坡上升，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感器電流開(kāi)始斜坡下降。

對(duì)于電源目的而言，僅電感器電流就會(huì)產(chǎn)生太多紋波。然而，電感器與輸出電容器一起工作，提供足夠的濾波，以實(shí)現(xiàn)您在圖中看到的穩(wěn)定、低紋波負(fù)載電流。請(qǐng)注意，負(fù)載電流是電感電流的平均值。

Buck轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

降壓轉(zhuǎn)換器通常用于電源管理系統(tǒng)，以生成現(xiàn)代電子產(chǎn)品中使用的較低直流電壓。我們使用 LTspice 研究了開(kāi)關(guān)模式直流電壓轉(zhuǎn)換器操作的一些關(guān)鍵方面。

希望了解這個(gè)簡(jiǎn)化原理圖的基本操作將有助于您的電路設(shè)計(jì)工作。

審核編輯：湯梓紅