降壓或降壓轉(zhuǎn)換器是一種廣泛使用的DC / DC開關(guān)穩(wěn)壓器。制造商通過其控制器提供降壓集成電路。降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器是一種能夠?qū)⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為低于輸入電壓(降壓,VOUT
VL1(on)= VIN– VOUT
當M1處于“關(guān)閉”狀態(tài)且二極管導通時,在第一階段,電感上的電壓為:
VL1(關(guān))= –VOUT
電氣方案
讓我們看一下圖1中的接線圖。它是一個具有以下特性的降壓轉(zhuǎn)換器:
圖1:降壓轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖
讓我們開始進行降壓轉(zhuǎn)換器的研究,首先進行觀察以下參數(shù)的仿真:
- 電路的輸入電壓
- 負載上的輸出電壓
- 允許切換狀態(tài)的脈沖平方電壓
模擬持續(xù)2 ms,因此您可以觀察40個振蕩周期。在圖2中,我們可以看到三個軌跡:
綠色跡線顯示50 V電路電源電壓(VCC)。
青色跡線顯示了45V的脈沖串,可以打開和關(guān)閉MOSFET(Vgate)。
紅色軌跡顯示了30Ω負載(VOUT)上的電路輸出端的20V電壓。
圖2:在此仿真圖中,我們可以觀察到輸入電壓,輸出電壓和開關(guān)信號。
根據(jù)此電路中使用的組件的電流值,我們可以注意到一些情況:
20 VDC的輸出信號在經(jīng)過1 ms的瞬變后會穩(wěn)定下來,在0.2 ms時出現(xiàn)35 VDC的峰值(圖3a)。設(shè)計人員必須評估此初始電壓升高,以避免損壞器件。
輸出信號受0.8V紋波影響(圖3b)。可以通過增加電容器C1的電容來減小或消除它。故意將電容器的值選擇得較低,以更好地突出紋波。
圖3:輸出信號的初始峰值(a)及其紋波(b)
電感上的電流
電感上的平均電流大約等于輸出電流。在“導通”階段,MOSFET中的電流將等于電感器中的平均電流加上一個紋波。反之亦然,在“關(guān)斷”階段,在D1中循環(huán)的電流將等于電感器中的平均電流與電流紋波的總和(圖4)。在我們的示例中,電流約為700 mA。
圖4:降壓轉(zhuǎn)換器的電感器I(L1)和負載I(R1)上的電流
觀察流過電感的電流的曲線圖也很有趣,這與MOSFET柵極上的脈沖序列相對應(圖5)。所檢查電路的效率約為77%。
圖5:電感上的電流與MOSFET上的脈動電壓的關(guān)系圖
噪音和干擾
降壓轉(zhuǎn)換器由于其開關(guān)介質(zhì)頻率和電抗元件的存在,會產(chǎn)生電噪聲,并且在某些情況下,可以像實際的無線電設(shè)備一樣在附近傳輸電信號。該電路產(chǎn)生的許多振蕩具有比MOSFET的正常開關(guān)頻率高得多的頻率。讓我們看一下圖6中的圖形。它測量在二極管陰極處的初始時間和1 ms之間的瞬態(tài)電壓。換句話說,這是MOSFET的“源極”輸出處的電壓。該圖將該電壓與流過電感器L1的電流相關(guān)聯(lián)。當電流達到其平均值時,高頻噪聲結(jié)束。
圖6:降壓轉(zhuǎn)換器會在高頻下產(chǎn)生電噪聲。
噪聲的頻率約為420 kHz。在圖7中,我們可以觀察到LC濾波器之前MOSFET的輸出處的頻譜圖。在其中,我們可以看到20 kHz的開關(guān)信號,故意高于人類的聽力閾值。
圖7:MOSFET源極處的頻譜圖
IC降壓開關(guān)穩(wěn)壓器
有許多實現(xiàn)整個降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的集成電路。其中之一就是Analog Devices的LTC1707型號。它是使用固定頻率架構(gòu)的高效單片電流模式同步降壓穩(wěn)壓器。工作電源范圍為8.5 V至2.85 V,非常適合單節(jié)和雙節(jié)鋰離子電池供電的應用。突發(fā)模式操作可在低負載電流下提供高效率。100%的占空比提供了低壓差操作,從而延長了電池供電系統(tǒng)的工作時間。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為350 kHz,從而允許使用小型表面貼裝電感器。對于噪聲敏感的應用,它可以外部同步至550 kHz。圖8顯示了LTC1707和3.3V輸出在30負載下的應用。
圖8:LTC1707降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器
在該示例中,負載耗散的功率為0.355813 W,電池產(chǎn)生的功率為0.371479W。其他組件損失的功率為0.01566W。在這些條件下,采用LTC1707的buck轉(zhuǎn)換器的效率為95.78。 %。效率不是固定的,而是根據(jù)電路的輸入電壓和負載而變化的,如下表(表1)所示。

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