降压转换电路的原理、公式、步骤及注意事项
0 2024-02-21

一、降压转换器工作原理

降压转换器是一种电压输出低于电压输入的开关转换器,也被称为降压开关转换器。 降压转换器只有 4 个部分,主要是开关(Q1)、二极管(D1)、电感(L1)和电容滤波器(C1)。 输入电压Vin必须高于输出电压 Vout 才能成为降压转换器。降压转换电路降压转换器用作电压调节器,同时利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体部件的开关动作。Q1 会不断开关,D1 充当续流二极管,L1 将充电和放电,而 C1 将存储能量。降压稳压器是一种低损耗稳压器,如果设计得当,效率可达 90% 以上。降压转换电路工作原理


二、降压转换器设计


降压转换器通过连续打开和关闭 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体开关来工作。开关的开启和关闭由占空比决定。降压转换器的理想占空比很简单:占空比 = VOUT / VIN


1、降压转换器基本功能– PWM 为高电平

当 PWM 处于高电平状态时,Q1 将在饱和状态下导通(电压降非常低)。D1 将被反向偏置并且不参与电流环路。电流将从 VIN 流向 Q1 的通道,然后为 L1 充电,一部分为 C1 充电,最后主电流路径将流向负载。降压转换器 此时,L1 将充电,点侧将处于较高的电位,L1 的电流将线性上升。


2、降压转换器基本操作– PWM 为低电平

当 PWM 为低电平时,Q1 将关闭,不再是电流环路的一部分。电感 L1 的点侧将变为负电位,因为 L1 将反转极性但保持相同的电流方向。电流路径将从 D1 到此时正在放电的 L1,然后到负载。此时,C1 能量也将有助于提供负载的需要。降压转换器


三、降压转换电路设计教程-各元器件取值

  • 1、电感纹波电流
  • 2、占空比
  • 3、电感 RMS 电流
  • 4、电感直流电流推导
  • 5、开关 RMS 电流导数
  • 6、开关直流电流导数
  • 7、二极管 RMS 电流推导
  • 8、二极管直流电流推导
  • 9、开关和二极管电压推导
  • 10、开关功率损耗推导
  • 11、开关散热注意事项
  • 12、二极管功率损耗推导
  • 13、二极管散热注意事项
  • 14、电感功率损耗推导
  • 15、电容纹波电流推导
  • 16、效率方程推导
  • 17、电路实例


1、电感纹波电流

要导出电感电流方程,了解其波形很重要。顺便说一下,降压转换器可分为 CCM、TM 或 DCM。 CCM 代表连续导通模式,而 TM 代表过渡模式或有时称为边界模式。另一方面,DCM 代表不连续导通模式。 CCM 和 TM 具有相同的分析,而 DCM 需要不同的分析。对于高功率应用,不太可能有意在 DCM 模式下运行降压转换器。这将导致非常高的损失并且不切实际。 但是,降压转换器有时会进入 DCM 模式,此时负载很轻。因此,设计点或组件选择将基于重载,这主要是在 CCM。因此,在这个推导中,我们将考虑 CCM 操作。下面的绿色是电感在 CCM 下工作的电流波形。当 PWM 信号为高电平时,它线性上升。然后,当 PWM 信号为低电平时,它会线性减小。降压转换器有时会进入 DCM 模式 当 PWM 为高电平时,分析将是:降压转换电路 要使用的关键方程是电感两端的电压,即:VL = LX di / dt电感纹波电流计算公式
当PWM为低电平时,分析为:降压转换电路降压转换电路公式 di_Ton 和 di_Toff 都会给出相同的结果。



2、占空比推导

如果你检查电感电流波形,则上升和下降幅度相同。因此,上面的两个方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等,我们得出了最终的占空比。占空比公式



3、电感 RMS电流推导

我们将从以下波形中的电感 RMS 电流开始,即 di 和 Imin 的 RMS 之和。降压转换电路电感 RMS电流推导公式


4、电感直流电流推导

下一个降压转换器电感设计公式将针对直流电流。但是,如果你仔细观察降压转换器原理图,就会发现电感器与输出负载串联。因此,电感电流的直流电平与负载的直流电平相同。


5、开关 RMS 电流推导

降压转换器上的开关可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。这里使用 MOSFET,因为它是中低功率应用中最流行的一种。MOSFET 的电流波形如下所示。MOSFET 的电流波形 Q1 的 RMS 电流是面积 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形,A2是矩形。


1)A1 区域的 RMS


A1 区域的 RMS公式


2)A2 区域的 RMS


A2 区域的 RMS公式 因此,开关电流的 RMS 为开关电流的 RMS 简化后消除 Imax:开关电流的 RMS 公式


6、 开关直流电流推导

MOSFET 的 RMS 电流始终高于 DC 电流,它是用于计算功耗以获得最坏情况的值。然而,无论出于何种原因,设计师都可能需要 DC 电平。因此,让我们将其包含在此降压转换器设计教程中。 总直流电平也是上述波形中 A1 和 A2 的直流电平之和。开关直流电流公式推导
重写方程以排除 Imax
开关直流电流公式推导


7、降压转换器设计教程——二极管 RMS 电流推导

参考下面的波形,我们可以计算出二极管的 RMS 电流。只有当 MOSFET 不导通时,二极管才会导通。
MOSFET波形图二极管 RMS 电流公式
二极管 RMS 电流公式


8、二极管直流电流推导

继续使用上述波形来确定二极管的直流电流:
二极管直流电流公式


9、开关和二极管电压推导

降压转换电路 VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpike Vspike 是由寄生电感引起的,可以假设为 VIN 的 40-70%。 VD1 最大值 = VIN 最大值 + Vspike Vspike 是由寄生电感引起的,可以假定为 VIN 的 50-120%。


10、降压转换器设计教程——开关功率损耗推导


开关功率损耗由两个因素组成。一是导通损耗,二是开关损耗。传导损耗是由于开关上的固定电压降引起的,而开关损耗是由于开关的开关动作引起的。 这里使用 MOSFET,因此,贝洛方程适用于 MOSFET。

1)传导损耗



传导损耗公式


2)开关损耗



开关损耗公式


3)总 MOSFET 功率损耗



总 MOSFET 功率损耗公式


11、 开关电源应力和散热注意事项

开关的功率应力只是实际功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力 对于没有散热器(开关未安装在散热器上):耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc


  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tamax – 最高工作环境温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻


如果需要计算器件的实际结温,可以按如下方式进行:Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax 对于带散热器(开关安装在散热器上):耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)


  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tcmax – 最大允许外壳温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
  • Rthchs – 从外壳到散热器的热阻,这是连接散热器和外壳的材料的热阻。
  • Rthhsa – 从散热器到空气的热阻,这实际上是所用散热器的热阻。


实际器件结温可计算为:Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax


12、二极管功率损耗推导

损耗二极管 = Irms X VF


13、 二极管功率应力和散热注意事项

二极管的功率应力只是实际功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力 对于没有散热器(二极管未安装在散热器上):耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc


  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tamax – 最高工作环境温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻


如果需要计算器件的实际结温,可以按如下方式进行:Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax 对于带散热器(二极管安装在散热器上):耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)


  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tcmax – 最大允许外壳温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
  • Rthchs – 从外壳到散热器的热阻。这是连接散热器和外壳的材料的热阻。
  • Rthhsa – 从散热器到空气的热阻。这实际上是所用散热器的热阻。


实际器件结温可计算为:Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax


14、电感功率损耗推导

电感的功率损耗由两部分组成:直流损耗和交流损耗。在低开关频率和低功率下,AC 损耗很小,因此根本不包括在计算中。但是对于非常高的开关频率,你可以假设开关损耗与直流损耗几乎相同。直流损耗有时也称为铜损,而开关损耗也称为磁芯损耗。
电感功率损耗公式


15、 输出电容选择

下面的输出电容 (C1) 计算是通用的。但是,特定控制器可能有自己的公式来推导出输出电容的值,因为这与环路补偿有关。考虑到没有 ESR 的影响,可以使用下面的公式来确定输出电容的大小。C1 = di / (Fsw X Vripple) 电解电容的ESR很大,分析时需要考虑。上面计算的电容应具有不高于下式的 ESR。ESR = Vripple / di


  • ESR——等效串联电阻
  • di – 电感纹波电流
  • Fsw——开关频率
  • Vripple – 允许的输出纹波电压
所选输出电容的纹波电流额定值应高于以下公式的结果。
输出电容的纹波电流额定值


  • Irms_inductor – 电感 RMS 电流
  • I_load – 负载电流

16、 降压转换器效率方程推导


降压转换器效率可以使用以下等式计算。效率 = (Pout / Pin) X 100%Pout = Iout X VoutPin = Pout + Ploss 总计效率 = [Iout X Vout / (Pout + Ploss 总)] X 100%


  • Iout – 负载电流
  • Vout – 输出电压
  • Pout – 总功率损耗

17、电路实例

电路实例


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