BUCK电路设计选型

小太阳2年前硬件开发篇3660

1.Buck电路拓扑

1.     非同步拓扑

image.png

2.     同步拓扑

image.png

2.伏秒法则原理:

充电时电感电压 * 充电时间 = 放电时电感电压 *放电时间(Vi-Vo)* Ton = (Vo -Vd )* Toff,非同步拓扑)或者(Vi-Vo)* Ton = Vo * Toff,同步拓扑))。(具体推导可以参考BOOST电路文章)

3.电感选型需要注意以下几点:

  1.电感的峰值电流不能超过电感的饱和电流(IL+ΔIL /2)(电感饱和电流是指电感量下降到标称值的30%的电流,不同厂商的值也有差异,根据电感规格书)

    2.buck电感平均电流计算公式:

       由于输出电容的平均电流为0,所以buck电感的平均电流为输出电流Io,即IL = Io(公式1)

4.根据伏秒法则求解:

为了计算方便,我们都采用同步拓扑求解,即:

(Vi-Vo)* Ton = Vo * Toff

T = Ton + Toff = 1/f,f为开关频率

    1)导通时间:Ton =Vo/(f * Vi)

       2)关断时间:Toff = (Vi-Vo)/(f*Vi)

       3)占空比:D = Ton/T= Vo/Vi

5.电感纹波电流ΔIL

注意:buck电感纹波电流与负载电流的大小没有关系。

image.png

    当开关导通时,电感两端电源=Vi-Vo,导通时间:Ton = Vo/(f * Vi),

    根据电感微分方程:U = L*di/dt,则电流变化量:di =U*dt/L,dt = Ton,所以

di = Vo*(Vi-Vo)/(f *L*Vi) = ΔIL,即纹波电流(公式2)

6.电感纹波电流ΔIL估算,求解电感感值

 根据前面公式2得到电感的平均电流,由于电感纹波电流和电感平均电流有一定比例关系,经验值在(0.2~0.4)* IL,所以得到电感纹波电流为:

ΔIL = (0.2~0.4)* IL(公式3),从而求解电感范围。

    我们现在根据公式1,公式3,可以推导出电感值:

    L = Vo*(Vi-Vo)/(f *(0.2~0.4)* IL * Vi) ,(其中IL = Io)

7.输入电容纹波要求,求解输入电容值

电容上面的纹波主要分两个部分

    1.一个是电容自身的充电放点,即存储电荷量发生了变化,可以用公式表示:Q = CUq表示,Uq是电压的变化,另外也可以用image.png表示,即电流的积分

    2.另外一个是电容等效串联电阻ESR,当电容冲放电是,会产生压降,这个压降用Uesr表示。

所以:输入电容纹波应该是:ΔUc = Uq + Uesr

1.    电容自身的充电放电造成的Uq。

电容放电量:Q = Uq * Ci = IL * Ton,(其中IL = Io,Io为负载电流,Ci为输出电容值)

放电时间:Ton = Vo/(f * Vi)

 所以image.png

image.png ,其中Ci为输入电容容值。

1.    电流流过电容的ESR造成的压降Uesr。

image.png

  根据前面电容电流波形图我们可以看出,电容充电电流最大Io-(IL+ΔIL /2) ,放电电流最大是ΔIL/2,所以ESR引起的总压降是:Uesr = (IL +ΔIL/2)*ESR

image.png

因此我们输入纹波为:

image.png

从上面式子可以看出,输入纹波和电容容值成反比,和ESR成正比,所以我们只需要两个参数,就可以求解第三个参数,比如我们知道了ΔVi ,Ci,就可以知道ESR的最大值。知道了ΔVi和ESR,就可以求解Ci的最小值。

8.输出电容纹波要求,求解输出电容值

1、电容电荷量变化引起的Uq

image.png

其中,电容的充电和放电时间长度是一样的,都是周期的一半T/2,需要注意的是电容电流在大于0时是充电,小于0时是放电,也就是上图中红色和蓝色部分,电容充电和放电的切换时刻不是开关导通与断开时刻,而是在中间时刻。从图中我们看出,放电的总电量为Q=1/2*底*高,底为T/2,高为ΔIL/2,即有:

 image.png


image.png

2.电流流过电容的ESR造成的压降Uesr。

  根据前面电容电流波形图我们可以看出,电容充电电流最大是ΔIL/2,放电电流最大是-ΔIL/2,所以ESR引起的总压降是:Uesr = ΔIL*ESR

image.png

因此我们输入纹波为:

image.png

从上面式子可以看出,输入纹波和电容容值成反比,和ESR成正比,所以我们只需要两个参数,就可以求解第三个参数,比如我们知道了ΔVi ,Co,就可以知道ESR的最大值。知道了ΔVi和ESR,就可以求解Co的最小值。


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