【电赛公开课】模拟电路基础知识讲座_第34课时_降压斩波电路

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查看: 573回复: 7 发表于 2019-5-9 10:00:25   只看该作者
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。
本课程共计80节视频内容,视频解析文字课40节,每周二、周四更新,欢迎同学观看学习。

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Buck 降压斩波器是实际使用数量最多的一类斩波电路,也是各大厂商开关电源芯片中种类最多一类。降压斩波电路的原理也相对易于理解,所以作为斩波电路的第一节来讲解。

1 斩波电路概述
设想这么个场合,某房间仅需要1kW的取暖功率,但是手边仅有2kW的电暖气,是不是可以通过加一个开关的方法,开关隔几分钟间歇通断就可以实现1kW电暖气的效果?这就是斩波电路最朴素的一种模型,如图1所示。
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图1 最简单的开关斩波电路

取暖器那样的“迟滞效应”负载可以接受电流的断续,但是对于大多数负载,例如电灯,是不能使用如图1那样的电路的。如何能让电流连续呢,3种常用无源电子元件中电感作用就是使电流连续。
1) 图2所示,给负载端串联电感L即可保证负载上电流连续。
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图2 负载串联电感的斩波电路

2) 图3所示电路,当SW开关断开时,为了达到电感电流必须连续的“规定”,电感将产生高压,高到把SW开关击穿为止。因此,有电感的电路需要额外提供电感电流泄放的通路。如图3所示的D1二极管起到延续电感电流的作用,称为续流二极管(freewheeling diode )。
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图3 带续流二极管的斩波电路

3) 在电力电子主电路中二极管也是开关的一种(一般可忽略导通压降),所有分析开关的方法都是一样的:开关导通等效为导线,开关断开则擦除该元件。所以,对于图3原理的分析就变成分析二极管是否等效为导线了。
4) 参考图3,当SW开关闭合时,二极管D1承受的是反压,所以擦除D1,此时等效电路如图4所示。电源V1通过电感L1给负载RL供电,电流逐渐增大。
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图4 开关闭合等效电路

5) 参考图3,当SW断开时,擦除SW,D1导通,等效为导线,等效电路如图5所示。L1上电流逐渐减小,电流能量来源于电感储存的磁场能。而D1则保证了电感电流能够形成回路。
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图5 开关断开等效电路

6) 在所有输出为电压源的电路中,负载端均会并联大容量的电容,以保证尽量接近电压源的效果。如图6所示,添加输出滤波电容C1,并将机械开关SW替换成 MOSFET 开关T1,就构成了完整的 Buck 斩波电路的主电路。
6.jpg
图6 完整的 Buck 斩波主电路

2 Buck 降压斩波电路的理论计算
当斩波电路中电感电流连续时,输出电压计算有一个简化的方法:
1) 稳态时流经电容的平均电流为零。如果一个周期内电容充电比放电多,那么电容上的电压就会上升,这也就不是稳态;一个周期内电容放电比充电多,那么电容上的电压就会下降,这也不是稳态。
2) 真正对斩波电路计算有用的其实是另一个结论:稳态时电感上平均电压为零。为了让大家能够接受这一“结论”,前面才拿电容来举例子,电感电容的特性是完全对称的。电感上平均电压不为零的话,电感电流就会上升或下降,这也不算稳态。
3) 通过计算开关闭合时电感上电压UL_ON和开关断开时电感电压UL_OFF,就可以很简单的计算出输出电压。


假设斩波电路设计合理,纹波电压较小,输出电压UO基本维持恒压特性:
1) 开关闭合时,参考图7所示的参考电压方向,电感上电压UL_ON为:
   7.jpg (1)
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图7 Buck 电路开关闭合时电感等效电路


2) 开关断开时,参考图8所示的参考电压方向,电感上电压UL_OFF为:
9.jpg (2)
10.jpg
图8 Buck 电路开关断开时电感等效电路

3) 根据稳态时电感两端电压平均值为零的特性,可推导出式3,其中,D的含义是占空比(Duty Cycle)。通过式4可知,Buck 电路为降压电路,输出电压(电感电流连续时)正比与开关的占空比。
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12.jpg

13.jpg (4)
4) 若电感L电流不连续,则TOFF时间段需要分为两段进行分析。即电感有电流时段TOFF1,电感电压为-Uo,电感无电流时段TOFF2,电感电压为0(此时负载依靠滤波电容供电)。通过式5推导可知,输出电压UO值会偏高。
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3 Buck 降压斩波电路的仿真
图9所示的 TINA 仿真电路将定量分析 Buck 电路中元件参数对电路的影响。
1) 为简单起见,使用了时间开关 SW1 来模拟 MOSFET 开关,时间开关的占空比设为0.6,具体开关频率根据仿真需要设定。
2) 滤波电容CO串联了电阻RCS,用于模拟电容的等效串联电阻,虽然 TINA 中电容的等效串联电阻参数可以设定,但这里直接串联电阻来仿真直观些。
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图9 Buck 电路的 TINA 仿真

首先来仿真滤波电容等效串联电阻RCS对输出电压纹波的影响。
1) 开关频率保持1MHz,同时监测二极管阴极电压VF1和输出电压UO。
2) VF1上电压如果是完美方波,则表示电感电流连续。SW1 闭合时,VF1电压肯定是10V。但 SW1 断开时,VF1电压只有电感电流连续时才会保持在接近0V(忽略SD1的管压降)。
3) 如图10所示,VF1电压为完美方波,所以电感电流连续。RCS取值100mΩ,可以看出UO的纹波电压电压比较明显。进一步分析可以看出,SW1 闭合阶段,UO输出增大;SW1 断开阶段,UO输出降低,呈现锯齿状。纹波电压的来源就是锯齿状纹波电流在RCS上的压降。
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图10 100mΩ等效串联电阻时的输出纹波

4) 如图11所示,其他参数均不改变,将RCS将为10mΩ,纹波电压明显降低。以上分析可以看出,直流电源滤波电容的效果不仅是看电容值的大小,而是与电容等效串联电阻直接相关。同种类电容,电容值越大,电容等效串联电阻越小。而同容量钽电容的等效串联电阻要远小于铝电解电容,这是钽电容滤波效果好的根本原因。
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图11 10mΩ等效串联电阻时的输出纹波

无论是图10还是图11,VF1的波形都是完美方波,这意味着电感电流连续,输出电压值也接近6V的理论值。下面来讨论电感电流不连续的情况。
1) 如图12所示,将开关频率降为100kHz,VF1的波形不再是完美的方波,这说明电感电流不连续。
2) 虽然RCS取值10mΩ,但是纹波电压却和图10中100mΩ情况差不多,这是因为开关频率降低了10倍,电流起伏时间延长,纹波电流峰值增大,自然纹波电压也增大,基本符合十倍的关系。
3) 输出电压UO达到了7.1V,比电感电流连续时理论值6V要高,符合前面的分析。
4) 图13中,电感电流断续时间段,VF1的电压产生了振铃,其趋势是等于UO。当电感电流不再变化时,UL电压为零,VF1电压当然就等于UO了。
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图13 开关频率100kHz时瞬时仿真波形

5) 如图14所示,进一步减小开关频率,电感电流断续的时间更长,可以更明显的看出UO输出电压以达到9V,偏离6V的“理论值”更远。电流断续时间段,VF1的电压在经历振铃以后,保持在9V,直到 SW1 再次闭合后电压钳位至输入电压10V。
19.jpg
图14 开关频率20kHz时瞬时现象仿真波形

图13和图14表明,开关频率会影响电感电流是否连续,这是因为电感、滤波电容、负载一定时,电感电流下降率是一定的,开关频率越高,则 SW1 断开时间越短,电感电流越不易下降到零,从而电流连续。下面的仿真将通过改变电感L实现电感电流连续。
1) 如图15所示,将电感L增大到1mH,维持20kHz的开关频率不变。
2) 电感电流衰减公式如式6所示,电感量越大,电流衰减速度越小。因此,即使开关频率不高,通过增大电感也可以使电感电流连续。
20.jpg (6)
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图15电感1mH时的瞬时现象仿真波形

总结一下以上的讨论:虽然我们一般都希望电感电流是连续的,但是电感量大小,滤波电容,开关频率乃至负载大小都会影响电感电流是否连续。
1) 电感值越大,电流衰减越慢,电流越容易连续。
2) 开关频率越高,TOFF绝对时间就越短,电流越容易连续。
3) 负载越重(电阻值越小),电感电流初值越大,电流越容易连续。想象一下极端情况,如果负载断路,电感电流在开关闭合时也将是零,更不要说开关断开了。这一结论留待读者自行仿真。

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、Buck 降压斩波电路中,续流二极管的作用是?
A.保证电压为正
B.保持电压稳定        
C.保证电感电流连续

2、斩波电路计算输出电压是基于什么原理?
A.稳态时,电感电压平均值为零        
B.稳态时,电容平均值为零        
C.续流二极管上电压平均值为零

3、BUCK 降压斩波电路中,电感电流断续,会造成输出电压?
A.不变        
B.升高        
C.降低

4、开关频率对输出电压纹波的影响是什么?
A.开关频率越高,输出电压纹波越大        
B.开关频率越高,输出电压纹波越小        
C.开关频率与输出电压纹波没有直接关系

5、开关频率与电感电流断续的关系是什么?
A.开关频率越高,电感电流越不容易断续        
B.开关频率越高,电感电流越容易断续        
C.开关频率与电感电流是否断续无关






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