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Buck電路工作原理(buck電路的工作原理)

2023-02-01 15:17:33來源:互聯網  

12V — 5, 0.5A

考慮到USB 5V輸出的保護問題,后面會在USB 5V輸出端串一個可恢復保險絲,但是這個保險絲有壓降,所以就需要做一個BUCK電路輸出5V電壓,這里采用的是分立元件搭建的 12V轉5V的BUCK電路。

Buck伏秒平衡推導


(資料圖片)

由于前面已經把Boost伏秒平衡都推導過了一遍,那么Buck電路的思路其實也是一樣,下面就把Buck的核心推導思路講一遍。下面這幅圖是Buck電路的拓撲結構,一起來分析一下。

如上圖所示,當開關閉合on時,此時Vin給電感充電的同時,也在給電容和負載提供能量;當開關斷開off時,此時電感放電,并且電感給電容充電的同時也在給負載提供能量。

我們知道,之所以輸出電壓Vo能達到平衡,是因為電感的充電電流=放電電流。那么,我們知道電感的電流與感量的關系:

電感充電時,Δt為ton;電感放電時,Δt為toff。

同樣的,我們再來分別分析ton和toff期間,電感兩端的電壓。

電感量公式推導

PWM發生電路

根據上面的公式初步計算出匹配電阻和電容。通過計算可以知道,三角波的低閾值是3.371V,高閾值是7.014V,三角波的頻率是59KHz。當然,由于電阻和電容的誤差,特別是電容有20%的誤差,最終要以實測為準。同時,根據上面的公式計算出來的電感量,選擇100uH的感量。另外,這是在輸出Io達到0.5A*0.5=0.25A的時候,電感工作進入BCM臨界連續模式。由于Io=0.25A時,電感進入BCM模式,所以ΔI/2=0.125A。那么當輸出Io=0.5A時,Ipk=Io+ΔI/2=0.625A(這里的公式會在后面詳細給推導)。所以我們在電感選型時,可以選用稍大一點的100uH 1A的貼片功率電感。

同時,需要有一個欠壓保護電路,低于7.8V時,MOS管驅動電路斷電,從而保護MOS管。這是由于MOS管是高電平關斷,所以如果這個高電平低于閾值時,會關不了,容易造成損壞。

電流環是帶有自鎖功能的,防止由于過流出現頻繁開關的狀態?;驹砭褪?,當電路出現過流時,采樣電阻兩端的電壓使得Q7 管導通,從而使得Q8導通。然后左邊的自鎖電路由于Q8的C極是低電平,所以Q9就會導通;當Q9導通了之后,Q10的基極就會有電流,讓Q10導通;Q10的導通把Q8的C極給鉗位住了,同時也把比較器6腳的直流電平信號拉低,讓比較器輸出高,MOS管關斷。只有重新斷電再上電,電路才能復位,正常工作。

最終,12V轉5V的BUCK完整電路如下圖所示:

12V轉5V的分立BUCK電路,由于輸出電壓只有5V,不能用N-MOS管+自舉電容的方式來設計,所以,這里采用的是P-MOS管,但需要注意推挽的輸出邏輯,當推挽輸出高電平時,對應的是P-MOS管的關斷。整體思路就是:用滯回比較器做一個三角波發生器,然后和直流電平相互比較產生方波,用這個方波驅動MOS管,當然中間需要加一個推挽來提高MOS管的驅動能力。

此BUCK電路也有TL431設計的精密的電壓環,將輸出電位控制在5V。TL431的K極接到比較器的直流電壓端輸入6腳,通過改變TL431的內阻,與R17進行分壓,來實現6腳直流電平的調節,從而實現占空比的調節,讓輸出電壓穩定在5V。

精密TL431工作原理

當VCC電源剛剛建立起來時,通過R17讓TL431達到最小工作電流。

那么,隨著輸出電壓逐步的升高,當電壓上升到比如5.002V時,經過電阻分壓后的電位是2.501V,也就是說誤差放大器的輸入端的壓差是0.001V。假設TL431的誤差放大倍數是1000倍,那么,壓差經過放大后是1V,這個1V來驅動三極管的B極,讓三極管CE導通。當然,誤差放大器從0V到1V之間肯定有一個變化的過程,也就是說,隨著誤差放大器輸出端的電位在0V~1V之間變化時,431內部三極管的CE內阻也在慢慢變小。

當431內部三極管CE內阻變小后,與R17電阻進行分壓,使得比較器6腳的直流電平降低,減小占空比,從而實現輸出電壓的調節。

由于誤差放大器的放大倍數很大,只要輸出電壓高于5V一丁點,就能讓TL431內部等效阻抗減小,實現調節,穩定在5V。另外,這里需要注意的是,TL31的最小工作電流是1mA,在設計電路時,要保證TL431的最小工作電流至少在1mA。

在LDO電路中的C22電容是起到微分調節的作用。假設沒有這顆電容,當負載突變的時候,比如說輸出電壓陡然減小,此時TL431的內阻也會隨之陡然增大,比較器6腳的直流電平會快速升高,造成超調,讓占空比增大的過快,繼而輸出電壓會過大。如此往復周而復始,輸出電壓紋波就會很大。但是電路有由于有了C22微分調節電容的存在,當負載發生突變時,由于電容兩端的電壓不能突變,電容的電位會有一個緩慢的斜率,所以,TL431的內阻的變化不會那么激烈,起到微分調節的作用。(后面會專門針對硬件PID進行講解)

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