降壓轉換器3——降壓轉換器設計實例

今天繼續分享介紹降壓轉換器的一些知識。本節說明了前面討論的方程如何用于降壓轉換器的設計過程。

設計參數

設計要求是：

?輸入電壓：VDC = 12V±30％

?輸出電壓：VOUT = 5V

?輸出電流平均值IO nominal = IO, av, nom = 2A

?輸出電流最小平均值（保持CCM模式）IO limit= 0.1 IO,av,nom = 0.2A

?電感電流紋波(I2 - I1)=ΔIL= 2 IO, limit= 0.4A

?開關頻率= 200 kHz

?輸出紋波電壓= 50 mV

?輸入紋波電壓= 200 mV

設計過程

占空比計算

轉換器設計在連續模式下運行，因此可計算占空比如下：

?Dnominal = VOUT / VDC = 5/12 = 0.42。

電感值計算

在連續模式下的電感正常值計算如下式

在最大輸入電壓下將系統處于連續模式所需的電感值如下式所示：

在最小輸入電壓下系統處于連續模式下的所需電感值如下式所示：

考慮降壓轉換器在最高輸入電壓下處在最惡劣情況下，得到結論至少42μH的電感將阻止轉換器在整個輸入電壓范圍內不連續。

實際上，如果選擇最小的電感L=26μH，最大輸入電壓（VDC =15.5V）將導致電流紋波I2 - I1 = 0.85A。相反，電感L =42μH，輸入電壓為8.5V，電流紋波為0.17A。這意味著任何大于42μH的電感都適合。

輸出電容

假設選擇具有ESR =30mΩ的電容，容值計算如下：

輸入電容

使用相同的方法計算輸出電容，然后使用下式計算輸入電容。

續流二極管選擇

然后計算TON期間二極管上的最大反向電壓，如下式所示。

計算二極管中的平均電流，如下式所示。

MOSFET選擇

選擇MOSFET的關鍵參數是平均電流和最大電壓，得到的計算結果如下兩式所示。

MOSFET中消耗的功率可以用下式計算，其中使用VF=1V和Tsw= 100ns（這里假設開通和關斷時間都為100ns）的典型值。

仿真驗證

利用Simplis搭建模型如下：

進行瞬態仿真如下：

POP仿真如下：

從穩態下電感電流波形可知轉換器工作在CCM模式下。

考慮最惡劣情況，即輸入電壓Vin=15.5V下的穩態工作波形如下：

可見系統也還是處在CCM模式下。

總結一下看看42uH的電感值在不同輸入電壓下的工作波形：

大家其實可以注意掉其實在這個輸入電壓范圍內我們選取的42uH似乎永遠不會進入DCM模式，其實很簡單，我們這里選擇的電感電流紋波系數其實偏小，而且是在滿載下仿真的。

大家可以嘗試修改電感電流紋波系數以及修改輸出負載電流設置然后再看看我們選取電感值的方法是否正確。

前面討論的其實都還是很基礎的，還有很多高級話題我自己也在學習當中。關于降壓轉換器的控制策略以及環路補償設計，我們后面再詳細討論。