电源小白入门学习5——BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、?uk、Sepic、Zeta电路

发布时间:2023年12月18日

上一期我们学习了LDO的1选择与使用技巧,这一期我们来学习DCDC变换器的相关内容

DCDC简介

DC-DC转换器(DC-DC converter)是一种电力转换设备,用于将一种直流电压转换为另一种直流电压。它通常由开关元件(如晶体管或MOSFET)、电感、电容和控制电路等组成。

DC-DC转换器的主要功能是改变输入直流电源的电压水平,以满足不同电路或设备对电压的需求。它可以提供降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)等不同类型的电压转换。

简单来说,就算能将一种的直流输入电压(或电流)变换成另一等级直流输出电压(或电流)的装置。常见的有BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、除此之外还有?uk、Sepic、Zeta电路等。

BUCK电路

特点

  • 只能做降压
  • 降压升流
  • 电压增益 = D
  • 电流增益 = 1 / D

工作原理

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如图是BUCK电路的基本结构,下面我们来分析以下BUCK电路的工作原理

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  • 当开关S关闭时,输入电压流经电感,给电容C充电和负载供电,电感上的电流增加,此时电感电压方向从左到右,电感左边为正,右边为负。输出电压为Vo = Vin - VL。
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  • 当开关S断开时,输入电压不在起作用,由于电感两端电压不能突变,会产生一感应电动势电感上的电流开始减小,电感电压为左负右正,电感和电容内储存的能量给负载供电。
  • 在实际电路中,开关S会由控制芯片控制,一般的控制方式有PWM脉宽调制和PFM脉冲频率调制方式。
  • 由于只有在开关S闭合时,电源才会作用到后面电路,其余时候则是由电感和电容储存的能量给负载供电,在不考虑元器件的开关损耗且电路与稳态、连续(COM)的情况下,可以推导出Vout = Vin * D(D为PWM的占空比)
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下面介绍一些BUCK电路的重要参数

  • Vout = Vin * D ; D= Ton * fs (fs为控制芯片内部的开关频率)
  • ?IL(电感纹波电流) = Vout * (1 - Vout / Vin) / L*fs 输入电压越大纹波电流也越大,在电路设计时需要以最大输入电压计算纹波电流,一般设计纹波电流在输出电流的0.2倍到0.4倍之间。
  • 较大的纹波电流可以提供更高的输出效率,但也会增加电感的损耗和温升,较小的纹波电流有助于提高电路稳定性。
  • L = Vout * (1 - Vout / Vin) / ΔIL * fs 电感的选择需要按照最高输入电压计算,并留有一定余量
  • IL(MAX) = Iout + 0.5 * ΔIL 要求电感的饱和电流 小于 IL(MAX)

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同步BUCK和非同步BUCK的区别

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  • 这个是同步BUCK。(其中MBOT替代了续流二极管的位置,MTOP与MBOT处于交替开启状态)
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  • 这个是非同步BUCK

  • 同步BUCK比非同步BUCK拥有更高的能量转换效率。

伏秒平衡与安秒平衡

  • 在我们前面的分析中,都是基于DCDC变换器工作中稳态,元件均为理想元件,线路阻抗为0,开关频率足够高,电感上的电流、电容的电压近似不变的情况。
  • 此时对于电感有伏秒平衡:开关打开期间电感电压对开启时间的积分 = 开关闭合期间电感的电压对闭合时间的积分 (其本质就是在一个周期内,电感储存的能量 = 电感释放的能量)- 后面的电路输出都可以从这个公式推出。
  • 对于电容有安秒平衡,原理同电感。

最后是开关开启和关闭时各器件的电压与电流变化趋势

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BOOOST电路

特点:

  • 只能做升压
  • 升压降流
  • 电压增益 = 1/ (1 - D)
  • 电流增益 = 1 - D

工作原理

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  • 如图是BOOST电路的基本结构,下面我们来分析一下工作原理

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  • 开关S闭合,后级电路被短路,前级电路电流通过电感和开关,后级电路电容C放电,提供输出电压给负载,电容电压从大于Cin开始减小(电容电压会一直大于Vin)。此时电感上电流增加,电压左正右负。VL = Vin。
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  • 当开关断开时,电流通过电感L和二极管D给电容C充电且提供负载电压。此时电感上的电压差减小,电流开始减小,由于电感的自感,此时电压左负右正,给电容充电,电容电压增加(电容电压一直大于Vin),同时给负载供电。

输出电压推导

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  • 由电感的伏秒积平衡:VinDTs = (Vo-Vin)*(1-D)*Ts
  • 得到: Vout = V_IN/(1?D) ; D=1 ? Vin / Vout

BOOST电路的重要参数:

  • Vout = Vin / ( 1 ? D ) ; D = 1 ? Vin / Vou
  • ΔIL(电感纹波电流) = Vin / L * Ton = Vin ? ( 1 ? Vin / Vout ) / L* fs 输出电压越大,电感纹波电流越大(Vout = 2 * Vin 时最大) ,一般选择ΔIL在0.2倍输入电流到0.4倍输入电流之间。
  • IL(MAX) = Iout * Vout / (电源转换效率 * Vin)+ ΔIL / 2 ,电感电流最大值需要小于电感的饱和电流 。

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开关开启和关闭时各器件的电压与电流变化趋势

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BUCK- BOOST电路

上面我们介绍了BUCK和BOOST电路,他们都只能做降压或升压,现在我们来介绍以下BUCK-BOOST电路

BUCK-BOOST电路是一种电源转换电路,可以实现输入电压的升压和降压。这种电路通常由开关管、电感器、二极管和输出电容组成。BUCK-BOOST电路的作用是根据需要调整输出电压,使之高于或低于输入电压。

BUCK-BOOST电路可以实现对升降压。

BUCK - BOOST电路的推导过程

  • BUCK-BOOST电路就是BUCK电路加上一个BOOST电路
    g)
    很明显,这个电路存在一个问题:元件太多了,实现的成本很大,所以我们做出如下改进:
  1. BUCK和BOOST电路共用一个开关S和续流二极管D。

那么Vout = - Vin * D/(1-D),发现当D的之变化时,同样可以实现升降压
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  1. L1、L2、C1组成的LCL网络在低频状态下可以由一个电感L代替(具体推导过程我也不是很懂,直接放结论)

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有了以上内容,我们就可以对电路进行简化了:

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但是,我们还需要解决一个问题:我们前面讲S1和S2可以用同一个开关控制,D1和D2可以用同一个开关控制,那具体思把哪一个元件去掉,去掉后的位置该这么放呢?

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  • 开关S导通时,电流通过S1经过电感L在经过S2,这个时候,S2可以省略。
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  • 当开关S断开时,电流通过电感流经D2和D1,这里我们可以吧D2省略,同时讲整个输出回路翻转
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  • 最后,我们将开关闭合断开时的简化电路拼到一起,就得到了BUCK-BOOST电路

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BUCK-BOOST电路分析

特点:

  • 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
  • 可以升降压
  • 电压增益 = D /1-D
  • 电流增益 = 1 - D / D

BUCK-BOOST电路的工作原理

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  • 当开关闭合时,电源给电感充电,电感上电流增加,电压上正下负,后级电路电容给负载供电。
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  • 当开关断开时,电感释放能量,电感电流减小,电压上负下正。给电容充电和负载充电。

?uk电路(BOOST-BUCK电路化简而来)

与BUCK-BOOST电路类似,?uk电路电路是由BOOST-BUCK电路构成,并且通过上面的方法推导化简来的,这里我们就不做讲解,直接放结论。

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特点

  • 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
  • 可以升降压
  • 电压增益 = D /1-D
  • 电流增益 = 1 - D / D

Sepic电路(?uk电路从输出端入手调整D与L2的位置。)

将 ?uk电路的输出端翻转过来,就形成了Sepic电路

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特点

  • 输出与输入同向
  • 也可以做升降压,但是需要的元件更多,所以不经常使用

Zeta电路(?uk电路从输入端入手调整S与L1的位置)

将?uk电路的输入端翻转过来,就形成了Zeta电路

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特点

  • 输出电压Vout = - D* Vin / (1 - D) 与输入电压相反。
  • 可以升降压
  • 电压增益 = D /1-D
  • 电流增益 = 1 - D / D
文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_67907028/article/details/134974136
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