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发表于 2019-5-23 09:56:12
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关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
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本节文字课程相关视频：
1. 电流可逆斩波电路基本原理
2. 电流可逆斩波电路与同步整流
在前面我们讲过 Buck-Boost 电路其实名不副实，它并不是真的由 Buck 电路和 Boost 电路组合变化得来的。其实真的存在另一种斩波电路是货真价实结合 Buck 和 Boost 两者的原理的，但是它的名字却被叫做“电流可逆斩波电路”。
1 电流可逆斩波电路基本原理
如图1所示的电路就是电流可逆斩波电路，它的负载一般是直流电机或者电源。由于旋转中的直流电机可以看做是一个电源，所以接下来的电路中一律用电池来代替电机符号。
1) 对电流可逆斩波电路来说，V1电压高而V2电压低，但两者究竟谁是电源谁是负载则要“看情况”，这也是电流可逆斩波电路名称的由来。
2) 如果V2是实际电池，则该电路可以实现V1降压后对V2进行充电，或者是V2升压后对V1充电。
3) 如果V2是直流电机，则该电路可以实现电源V1驱动V2电机的电路，或者是V2电机减速并将能量回馈电源V1。
如图1所示的电流可逆斩波电路原理分析可以这样简单分析：
1) D1和D2为场效应管T1和T2寄生的二极管，即使不控制T1和T2的通断，两个二极管仍然会“自动”工作。
2) 如果我们彻底放弃控制T2，将T2抹掉（D2保留），那么构成普通降压斩波电路，L1电流就是自左向右的，当然电感电流可能连续或者是断续。
3) 如果我们彻底放弃控制T1，将T1抹掉（D1保留），那么构成普通升压斩波电路，L1电流就是自左向右的，当然电感电流可能连续或者是断续。
4) 实际我们还可以让T1和T2互补导通，这样一来在一个周期中，电路将一部分时间工作于 Buck 电路状态，剩下时间工作于 Boost 电路状态。
下面我们对上面提及的三种工作方式进行仿真，首先简化电路并设定具体的电路参数，得到如图2所示电路。
1) 将T1和T2代表的 MOSFET 开关替换为时间控制开关，以便简化控制电路。
2) 在电感L1处增加一个电流探头AM1，以便分析电路工作过程。（注：在实际开关电源设计中，如果能用高带宽的示波器电流探头去直接观测电流信号，将会事半功倍如虎添翼。不过不幸的是高带宽电流探头价格是万元起步，学生党在学校一般实验室都难得见到。）
3) 将二极管改为快恢复二极管 1N4148（默认二极管型号是 1N1183）。
4) 滤波电容C1和C2改为10μF。
5) V1电压设为10V，V2电压设为5V，并各增加10Ω内阻R1和R2。
采用如图3所示的时间开关参数，将开关周期设为50微秒，SW1的占空比为50%，SW2保持断开，这样就可以得到纯 Buck 电路控制方式。瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒，可得图4所示的电感电流波形。
| 图3 电流可逆斩波电路 Buck 工作状态的时间控制开关设定 |
1) 从1ms至1.025ms，这是开关SW1闭合区间，此时电感电流近似线性上升，电流通路是V1→SW1→L1→负载→GND，符合 Buck 电路运行特征。
2) 从1.025ms至1.05ms，这是开关SW1断开区间。仿真结果表明，电感电流发生了断续。前半段电感电流近似线性下降，电流通路是D2→L1→负载→GND；在后半段电流下降到0以后，由于D2不能反向导通，所以电流保持在零，符合 Buck 电路运行特征。
| 图4 电流可逆斩波电路 Buck 工作状态电感电流波形 |
前面为什么我们要将默认的普通整流 1N1183 二极管换成快恢复的 1N4148 呢？如果对图5电路进行之前一样的参数仿真，得到的电流波形将会是如图6所示，发现了吗，电感电流有一丁点反向了！原因请自行分析，提示复习3.1.3节和3.1.4的知识。
| 图5 使用普通二极管的电流可逆斩波电路工作状态仿真电路图 |
| 图6 使用普通二极管的电流可逆斩波电路 Buck 工作状态电感电流波形 |
将SW1和SW2的设置参数对调，就可以得到纯 Boost 电路控制方式。同样瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒，可得图7所示的电感电流波形。电感电流也是断续的，分析过程与 Buck 类似，就不详细展开了。
| 图7 电流可逆斩波电路 Boost 工作状态电感电流波形 |
采用如图8所示的时间开关参数，SW1和SW2互补导通，这样就可以得到“电流可逆”控制方式。瞬时现象仿真时长设为1毫秒至1.1毫秒，并将坐标上下限改为对称（-130mA至130mA），可得图9所示的电感电流波形。
| 图8 电流可逆斩波电路“电流可逆”工作状态的时间控制开关设定 |
1) 由于SW1和SW2开关互补导通，不存在二极管不能反向流电流的问题了，所以电感电流是连续的。
2) 1.0000mS至1.0250mS区间是SW1导通，但工作状况分两部分。1.0000mS至1.0125mS区间，电流方向是V2→L1→SW1→V1→GND，电流逐渐减小到零，电路工作状态为以V2为电源V1为负载的升压电路。1.0125mS至1.0250mS区间，电流方向是V1→SW1→L1→V2→GND，电流逐渐增大，电路工作状态为以V1为电源V2为负载的降压电路。
3) 1.0250mS至1.0500mS区间是SW2导通，工作状况也分两部分。1.0250mS至1.0375mS区间，电流方向是SW2→L1→V2→GND，电流逐渐减小到零，电路工作状态为以V1为电源V2为负载的降压电路。1.0375mS至1.0500mS区间，电流方向是V2→L1→SW2→GND，电流逐渐增大，电路工作状态为以V2为电源V1为负载的升压电路。
| 图9 电流可逆斩波电路“电流可逆”工作状态电感电流波形 |
2电流可逆斩波电路与同步整流
实际电流可逆斩波电路占空比不会设为50%，那样一来电流成了拉锯战，两个电池互相充放电闹着玩了。将占空比改变，可得到实际电流可逆斩波电路的工作状态。
1) 将SW1占空比设为75%，互补导通的SW2占空比设为25%，电流仿真结果如图10所示。在 Buck 工作模式下，电流不会降到零，所以电路工作状态一直都是 Buck，从原理上此时仅靠D2的续流作用即可，SW2的导通起到的效果实际是“同步整流”，降低导通压降，减小损耗的效果。
| 图10 75%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形 |
2) 将SW1占空比设为60%，互补导通的SW2占空比设为40%，电流仿真结果如图11所示。此时，电路主要工作在 Buck 状态，少数时候在 Boost 状态。总体上可认为是V1对V2充电。同样，开关互补导通，实际短路掉了二极管，起到“同步整流”的效果。
| 图11 60%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形 |
3) 将SW1占空比设为40%，互补导通的SW2占空比设为60%，电流仿真结果如图12所示。此时，电路主要工作在 Boost 状态，少数时候在 Buck 状态。总体上可认为是V2对V1充电。同样，开关互补导通，起到“同步整流”的效果。
| 图12 40%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形 |
4) 将SW1占空比设为25%，互补导通的SW2占空比设为75%，电流仿真结果如图13所示。此时，电路完全工作在 Boost 状态，V2升压后对V1充电。
| 图12 25%占空比下电流可逆斩波电路电流仿真波形 |
5) 注意，由于在“电流可逆”控制方式下，二极管可以是“双向导通的”。所以让SW1和SW2互补导通就能实现“同步整流”的效果。其他电路要实现同步整流，例如纯 Buck 电路就没这么简单，SW2在续流电流降到零的时候，就必须关断了，控制要复杂的多。
欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~
课后问答：
选择题：
1、关于电流可逆斩波电路，说法正确的是？
A.可以只工作于 Buck 模式
B.可只工作于 Boosst 模式
C.一定可交替工作于 Buck 和 Boost 模式
D.无论电路参数如何，均可实现电流可逆。
2、电流可逆斩波电路电流可逆的目的是什么？
A.提高开关效率
B.负载回馈能量给电源
C.降低输出电压纹波
3、电流可逆斩波电路，工作于同步整流模式时，说法正确的是？
A.可直接设定两个开关为互补导通
B.两个开关非互补导通时，需要检测电路判断何时开始“同步整流”
C.忽略死区时间时，理论上电路中 MOSFET 寄生的二极管永远不会导通
4、同步整流的目的是什么？
A.提高输出电压
B.降低输出电压纹波
C.减小二极管上的功耗
D.降低电路成本
参考答案：
1 AB
2 B
3 ABC
4 C
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