首先让我们从BUCK变换器的概念开始讲起,Buck变换器也称降压式变换器,是一种输出电压小于输进电压的单管不隔离直流变换器。

图中,Q为开关管,其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulatiON脉宽调制)信号,信号周期为Ts,则信号频率为f=1/Ts,导通时间为Ton,关断时间为Toff,则周期Ts=Ton+Toff,占空比Dy= Ton/Ts。 开关管Q也为PWM控制方式,但最大占空比Dy必须限制,不答应在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输进侧,称为升压电感。 Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。

Buck/Boost变换器:也称升降压式变换器,是一种输出电压既可低于也可高于输进电压的单管不隔离直流变换器,但其输出电压的极性与输进电压相反。 Buck/Boost变换器可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成,合并了开关管。

Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式,开关管Q也为PWM控制方式。
LDO的特点:
① 非常低的输进输出电压差② 非常小的内部损耗③ 很小的温度漂移④ 很高的输出电压稳定度⑤ 很好的负载和线性调整率⑥ 很宽的工作温度范围⑦ 较宽的输进电压范围⑧ 外围电路非常简单,使用起来极为方便DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
其具体的电路由以下几类:
(1)Buck电路——降压斩波器,其输出均匀电压 U0小于输进电压Ui,极性相同。
(2)Boost电路——升压斩波器,其输出均匀电压 U0大于输进电压Ui,极性相同。
(3)Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其 输出均匀电压U0大于或小于输进电压Ui,极性相反,电感传输。
(4)Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出均匀电 压U0大于或小于输进电压Ui,极性相反,电容传输。
DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC。
其中BUCK型DC-DC只能降压,降压公式:Vo=Vi*D
BOOST型DC-DC只能升压,升压公式:Vo= Vi/(1-D)
BUCK-BOOST型DC-DC,即可升压也可降压,公式:Vo=(-Vi)* D/(1-D)
D为充电占空比,既MOSFET导通时间。
开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。
因开关电源工作效率高,一般可达到80%以上,故在其输出电流的选择上,应正确丈量或计算用电设备的最大吸收电流,以使被选用的开关电源具有高的性能价格比,通常输出计算公式为: Is=KIf
式中:Is—开关电源的额定输出电流; If—用电设备的最大吸收电流; K—裕量系数,一般取1。5~1。8;
电容式开关电源它们能使输进电压升高或降低,也可以用于产生负电压。其内部的FET开关阵列以一定方式控制快速电容器的充电和放电,从而使输进电压以一定因数(0。5,2或3)倍增或降低,从而得到所需要的输出电压。这种特别的调制过程可以保证高达80%的效率,而且只需外接陶瓷电容。由于电路是开关工作的,电荷泵结构也会产生一定的输出纹波和EMI(电磁干扰)首先贮存能量,然后以受控方式开释能量,以获得所需的输出电压。






完成电路的简化后,将开关替换成mos管,再用芯片的pwm 控制开关占空比就能对输出进行升降压控制,这是它的输出电压计算公式。

BUCK、BOOST、BUCK-BOOST电路CCM模式下的设计参数计算举例
BUCK电路的设计技术指标要求(要求工作于电感电流连续工作模式):
1、输入直流电压:10~15V;
2、输出直流电压:5V;
3、最大输出电流:2A;
4、最小输出电流:0.2A;
5、输出电压纹波峰峰值:100mV;
6、开关频率:50kHz。
主电路参数设计目标
1、电感参数设计:求得电感量与最大有效值电流、最大峰值电流三个参数。
2、电容参数设计:需得到电容量与额定电压两个参数。
3、开关管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数。
4、二极管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数。

1、计算占空比

2、计算电感参数

BUCK变换器电感电流平均值即为输出直流电流,当输出最小电流时,电感电流应至少处于电感电流临界连续才能维持整个工作范围电感电流连续,由电感电流连续条件:

buck电路,稳态时,电感电压的平均值为0,电容电流的平均值为0.
由电感电流波形图,电感电流的脉动峰峰值为开关管开通时段的电流的增量,也就是开关管断开时段电流的减量。


3、计算电容参数



20kHz以上时,对铝电解电容而言,因为电容有等效串联电阻Resr,会使电容两端产生脉动电压(电压纹波)。一般电容器的等效串联电阻Resr与其容量的乘积为

4、计算MOS管的额定电流、额定电压
首先分析一下BUCK电路MOS管和续流二极管电流有效值怎么算
在CCM模式下:

MOS管的电流有效值为
二极管有效值为

在DCM模式下:(这儿还没有讨论这种工作状态)
MOS管的电流有效值为

二极管有效值为

其中Mvdc为电压传输比,即用输出电压除以输入电压
我们讨论的情况使CCM模式,所以
MOS管额定电流一般要求取MOS管最大有效值电流的2~3倍,所以额定电流取3A以上。
MOS管所承受的最大电压等于输入直流电压的最大值,即

MOS管的额定电压一般取其所承受的最大电压的1.5~2倍,所以额定电压取25V以上。
5、计算二极管的额定电压、额定电流

BOOST
二、设计一款BOOST电路,要求工作在电感电流连续状态,其技术指标要求:
1、输入直流电压:10V;
2、输出直流电压:30V;
3、最大输出电流:1A;
4、最小输出电流:0.1A;
5、输出电压纹波峰峰值:300mV;
6、开关频率:100kHz。
主电路参数设计目标
1、电感参数设计:求得电感量与最大有效值电流、最大峰值电流三个参数。
2、电容参数设计:需得到电容量与额定电压两个参数。
3、开关管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数。
4、二极管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数

1、计算占空比D
Boost变换器在一个周期内升压电感电流增量和电流减少量相等,可推出输入输出比:


2、计算电感参数


因为电感电流连续,有效值约等于平均值

2、计算电容参数

在电容量相同时,输出电流越大,输出电压的纹波也越大。因此,在输出电压纹波要求相同的情况下,输出电流越大,所需的电容也越大。

2、计算MOS管的额定电流、额定电压
buck、boost、buck-boost三种电路,电感上的波形是一样,开关管上的波形是一样,二极管上的波形也是一样,开关管电流有效值计算公式

2、计算二极管的额定电流、额定电压

BUCK-BOOST
二、设计一BUCK-BOOST变换器,要求工作于电感电流连续状态,其技术指标要求如下:
1、输入直流电压:15V;
2、输出直流电压:10~30V;
3、最大输出电流:1A;
4、最小输出电流:0.1A;
5、输出电压纹波峰峰值:300mV;
6、开关频率:100kHz。
主电路参数设计目标
1、电感参数设计:求得电感量与最大有效值电流、最大峰值电流三个参数。
2、电容参数设计:需得到电容量与额定电压两个参数。
3、开关管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数。
4、二极管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数

1、计算占空比D

2、计算电感参数
同boost,由于只有在开关管关断时段,负载电流才等于电感电流,所以IOB = ILB*(1- D)。


3、 计算电容参数
电容电压在一个周期显然增量为零,下面左侧 电容电流 Ic 波形和Uc波形没有对应好 ,对应右侧波形,可以计算出电容电压脉动量

4、计算MOS管的额定电压、额定电流

3、计算二极管的额定电流、额定电压
