大家好，我是李工，創(chuàng)作不易，希望大家多多支持我。今天給大家分享的是降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。主要是關(guān)于：降壓轉(zhuǎn)換電路工作原理、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計步驟。

一、降壓轉(zhuǎn)換器工作原理

降壓轉(zhuǎn)換器是一種電壓輸出低于電壓輸入的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，也被稱為降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器只有 4 個部分，主要是開關(guān)(Q1)、二極管(D1)、電感(L1)和電容濾波器(C1)。輸入電壓Vin必須高于輸出電壓 Vout 才能成為降壓轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換電路降壓轉(zhuǎn)換器用作電壓調(diào)節(jié)器，同時利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體部件的開關(guān)動作。Q1 會不斷開關(guān)，D1 充當續(xù)流二極管，L1 將充電和放電，而 C1 將存儲能量。降壓穩(wěn)壓器是一種低損耗穩(wěn)壓器，如果設(shè)計得當，效率可達 90% 以上。

降壓轉(zhuǎn)換電路工作原理

二、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計

降壓轉(zhuǎn)換器通過連續(xù)打開和關(guān)閉 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體開關(guān)來工作。開關(guān)的開啟和關(guān)閉由占空比決定。降壓轉(zhuǎn)換器的理想占空比很簡單：占空比 = VOUT / VIN1、降壓轉(zhuǎn)換器基本功能– PWM 為高電平當 PWM 處于高電平狀態(tài)時，Q1 將在飽和狀態(tài)下導(dǎo)通(電壓降非常低)。D1 將被反向偏置并且不參與電流環(huán)路。電流將從 VIN 流向 Q1 的通道，然后為 L1 充電，一部分為 C1 充電，最后主電流路徑將流向負載。

降壓轉(zhuǎn)換器此時，L1 將充電，點側(cè)將處于較高的電位，L1 的電流將線性上升。2、降壓轉(zhuǎn)換器基本操作– PWM 為低電平當 PWM 為低電平時，Q1 將關(guān)閉，不再是電流環(huán)路的一部分。電感 L1 的點側(cè)將變?yōu)樨撾娢唬驗?L1 將反轉(zhuǎn)極性但保持相同的電流方向。電流路徑將從 D1 到此時正在放電的 L1，然后到負載。此時，C1 能量也將有助于提供負載的需要。

降壓轉(zhuǎn)換器

三、降壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計教程-各元器件取值

1、電感紋波電流

2、占空比

3、電感 RMS 電流

4、電感直流電流推導(dǎo)

5、開關(guān) RMS 電流導(dǎo)數(shù)

6、開關(guān)直流電流導(dǎo)數(shù)

7、二極管 RMS 電流推導(dǎo)

8、二極管直流電流推導(dǎo)

9、開關(guān)和二極管電壓推導(dǎo)

10、開關(guān)功率損耗推導(dǎo)

11、開關(guān)散熱注意事項

12、二極管功率損耗推導(dǎo)

13、二極管散熱注意事項

14、電感功率損耗推導(dǎo)

15、電容紋波電流推導(dǎo)

16、效率方程推導(dǎo)

17、電路實例

1、電感紋波電流要導(dǎo)出電感電流方程，了解其波形很重要。順便說一下，降壓轉(zhuǎn)換器可分為 CCM、TM 或 DCM。CCM 代表連續(xù)導(dǎo)通模式，而 TM 代表過渡模式或有時稱為邊界模式。另一方面，DCM 代表不連續(xù)導(dǎo)通模式。CCM 和 TM 具有相同的分析，而 DCM 需要不同的分析。對于高功率應(yīng)用，不太可能有意在 DCM 模式下運行降壓轉(zhuǎn)換器。這將導(dǎo)致非常高的損失并且不切實際。但是，降壓轉(zhuǎn)換器有時會進入 DCM 模式，此時負載很輕。因此，設(shè)計點或組件選擇將基于重載，這主要是在 CCM。因此，在這個推導(dǎo)中，我們將考慮 CCM 操作。下面的綠色是電感在 CCM 下工作的電流波形。當 PWM 信號為高電平時，它線性上升。然后，當 PWM 信號為低電平時，它會線性減小。

降壓轉(zhuǎn)換器有時會進入 DCM 模式當 PWM 為高電平時，分析將是：

降壓轉(zhuǎn)換電路要使用的關(guān)鍵方程是電感兩端的電壓，即：VL = LX di / dt

電感紋波電流計算公式當PWM為低電平時，分析為：

降壓轉(zhuǎn)換電路

di_Ton 和 di_Toff 都會給出相同的結(jié)果。2、占空比推導(dǎo)如果你檢查電感電流波形，則上升和下降幅度相同。因此，上面的兩個方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等，我們得出了最終的占空比。

占空比公式3、電感 RMS電流推導(dǎo)我們將從以下波形中的電感 RMS 電流開始，即 di 和 Imin 的 RMS 之和。

降壓轉(zhuǎn)換電路

電感 RMS電流推導(dǎo)公式4、電感直流電流推導(dǎo)下一個降壓轉(zhuǎn)換器電感設(shè)計公式將針對直流電流。但是，如果你仔細觀察降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，就會發(fā)現(xiàn)電感器與輸出負載串聯(lián)。因此，電感電流的直流電平與負載的直流電平相同。5、開關(guān) RMS 電流推導(dǎo)降壓轉(zhuǎn)換器上的開關(guān)可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。這里使用 MOSFET，因為它是中低功率應(yīng)用中最流行的一種。MOSFET 的電流波形如下所示。

MOSFET 的電流波形Q1 的 RMS 電流是面積 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形，A2是矩形。1)A1 區(qū)域的 RMS

A1 區(qū)域的 RMS公式2)A2 區(qū)域的 RMS

A2 區(qū)域的 RMS公式因此，開關(guān)電流的 RMS 為

開關(guān)電流的 RMS簡化后消除 Imax：

開關(guān)電流的 RMS 公式6、 開關(guān)直流電流推導(dǎo)MOSFET 的 RMS 電流始終高于 DC 電流，它是用于計算功耗以獲得最壞情況的值。然而，無論出于何種原因，設(shè)計師都可能需要 DC 電平。因此，讓我們將其包含在此降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程中。總直流電平也是上述波形中 A1 和 A2 的直流電平之和。

重寫方程以排除 Imax

7、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程——二極管 RMS 電流推導(dǎo)參考下面的波形，我們可以計算出二極管的 RMS 電流。只有當 MOSFET 不導(dǎo)通時，二極管才會導(dǎo)通。

MOSFET波形圖

二極管 RMS 電流公式

二極管 RMS 電流公式8、二極管直流電流推導(dǎo)繼續(xù)使用上述波形來確定二極管的直流電流：

二極管直流電流公式9、開關(guān)和二極管電壓推導(dǎo)

降壓轉(zhuǎn)換電路VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假設(shè)為 VIN 的 40-70%。VD1 最大值 = VIN 最大值 + VspikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假定為 VIN 的 50-120%。10、降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計教程——開關(guān)功率損耗推導(dǎo)開關(guān)功率損耗由兩個因素組成。一是導(dǎo)通損耗，二是開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗是由于開關(guān)上的固定電壓降引起的，而開關(guān)損耗是由于開關(guān)的開關(guān)動作引起的。這里使用 MOSFET，因此，貝洛方程適用于 MOSFET。1)傳導(dǎo)損耗

傳導(dǎo)損耗公式2)開關(guān)損耗

開關(guān)損耗公式3)總 MOSFET 功率損耗

總 MOSFET 功率損耗公式11、 開關(guān)電源應(yīng)力和散熱注意事項開關(guān)的功率應(yīng)力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(開關(guān)未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tamax – 最高工作環(huán)境溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結(jié)溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(開關(guān)安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻，這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻，這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結(jié)溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax12、二極管功率損耗推導(dǎo)損耗二極管 = Irms X VF13、 二極管功率應(yīng)力和散熱注意事項二極管的功率應(yīng)力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(二極管未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tamax – 最高工作環(huán)境溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結(jié)溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(二極管安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結(jié)溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結(jié)到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻。這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻。這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結(jié)溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax14、電感功率損耗推導(dǎo)電感的功率損耗由兩部分組成：直流損耗和交流損耗。在低開關(guān)頻率和低功率下，AC 損耗很小，因此根本不包括在計算中。但是對于非常高的開關(guān)頻率，你可以假設(shè)開關(guān)損耗與直流損耗幾乎相同。直流損耗有時也稱為銅損，而開關(guān)損耗也稱為磁芯損耗。

電感功率損耗公式15、 輸出電容選擇下面的輸出電容 (C1) 計算是通用的。但是，特定控制器可能有自己的公式來推導(dǎo)出輸出電容的值，因為這與環(huán)路補償有關(guān)。考慮到?jīng)]有 ESR 的影響，可以使用下面的公式來確定輸出電容的大小。C1 = di / (Fsw X Vripple)電解電容的ESR很大，分析時需要考慮。上面計算的電容應(yīng)具有不高于下式的 ESR。ESR = Vripple / di

ESR——等效串聯(lián)電阻

di – 電感紋波電流

Fsw——開關(guān)頻率

Vripple – 允許的輸出紋波電壓

紋波電流所選輸出電容的紋波電流額定值應(yīng)高于以下公式的結(jié)果。

輸出電容的紋波電流額定值

Irms_inductor – 電感 RMS 電流

I_load – 負載電流

16、 降壓轉(zhuǎn)換器效率方程推導(dǎo)降壓轉(zhuǎn)換器效率可以使用以下等式計算。效率 = (Pout / Pin) X 100%Pout = Iout X VoutPin = Pout + Ploss 總計效率 = [Iout X Vout / (Pout + Ploss 總)] X 100%

Iout – 負載電流

Vout – 輸出電壓

Pout – 總功率損耗

17、電路實例

電路實例以上就是關(guān)于降壓轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計。

審核編輯：湯梓紅