设计降压转换电路?工作原理+设计步骤

科技   2024-11-19 16:56   山东  
大家好,我是李工,创作不易,希望大家多多支持我。今天给大家分享的是降压转换电路设计。
主要是关于:降压转换电路工作原理、降压转换电路设计、降压转换电路设计步骤

一、降压转换器工作原理

降压转换器是一种电压输出低于电压输入的开关转换器,也被称为降压开关转换器
降压转换器只有 4 个部分,主要是开关(Q1)二极管(D1)电感(L1)电容滤波器(C1)
输入电压Vin必须高于输出电压 Vout 才能成为降压转换器。

降压转换电路
降压转换器用作电压调节器,同时利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体部件的开关动作。Q1 会不断开关,D1 充当续流二极管,L1 将充电和放电,而 C1 将存储能量。
降压稳压器是一种低损耗稳压器,如果设计得当,效率可达 90% 以上。

降压转换电路工作原理

二、降压转换器设计

降压转换器通过连续打开和关闭 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体开关来工作。开关的开启和关闭由占空比决定。降压转换器的理想占空比很简单:
占空比 = VOUT / VIN
1、降压转换器基本功能– PWM 为高电平
当 PWM 处于高电平状态时,Q1 将在饱和状态下导通(电压降非常低)。D1 将被反向偏置并且不参与电流环路。电流将从 VIN 流向 Q1 的通道,然后为 L1 充电,一部分为 C1 充电,最后主电流路径将流向负载。

降压转换器
此时,L1 将充电,点侧将处于较高的电位,L1 的电流将线性上升。
2、降压转换器基本操作– PWM 为低电平
当 PWM 为低电平时,Q1 将关闭,不再是电流环路的一部分。电感 L1 的点侧将变为负电位,因为 L1 将反转极性但保持相同的电流方向。电流路径将从 D1 到此时正在放电的 L1,然后到负载。此时,C1 能量也将有助于提供负载的需要。

降压转换器

三、降压转换电路设计教程-各元器件取值

  • 1、电感纹波电流
  • 2、占空比
  • 3、电感 RMS 电流
  • 4、电感直流电流推导
  • 5、开关 RMS 电流导数
  • 6、开关直流电流导数
  • 7、二极管 RMS 电流推导
  • 8、二极管直流电流推导
  • 9、开关和二极管电压推导
  • 10、开关功率损耗推导
  • 11、开关散热注意事项
  • 12、二极管功率损耗推导
  • 13、二极管散热注意事项
  • 14、电感功率损耗推导
  • 15、电容纹波电流推导
  • 16、效率方程推导
  • 17、电路实例
1、电感纹波电流
要导出电感电流方程,了解其波形很重要。顺便说一下,降压转换器可分为 CCM、TM 或 DCM。
CCM 代表连续导通模式,而 TM 代表过渡模式或有时称为边界模式。另一方面,DCM 代表不连续导通模式。
CCM 和 TM 具有相同的分析,而 DCM 需要不同的分析。对于高功率应用,不太可能有意在 DCM 模式下运行降压转换器。这将导致非常高的损失并且不切实际。
但是,降压转换器有时会进入 DCM 模式,此时负载很轻。因此,设计点或组件选择将基于重载,这主要是在 CCM。因此,在这个推导中,我们将考虑 CCM 操作。下面的绿色是电感在 CCM 下工作的电流波形。当 PWM 信号为高电平时,它线性上升。然后,当 PWM 信号为低电平时,它会线性减小。

降压转换器有时会进入 DCM 模式
当 PWM 为高电平时,分析将是:

降压转换电路
要使用的关键方程是电感两端的电压,即:
VL = LX di / dt

电感纹波电流计算公式
当PWM为低电平时,分析为:

降压转换电路


di_Ton 和 di_Toff 都会给出相同的结果。
2、占空比推导
如果你检查电感电流波形,则上升和下降幅度相同。因此,上面的两个方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等,我们得出了最终的占空比

占空比公式
3、电感 RMS电流推导
我们将从以下波形中的电感 RMS 电流开始,即 di 和 Imin 的 RMS 之和。

降压转换电路

电感 RMS电流推导公式
4、电感直流电流推导
下一个降压转换器电感设计公式将针对直流电流。但是,如果你仔细观察降压转换器原理图,就会发现电感器与输出负载串联。因此,电感电流的直流电平与负载的直流电平相同。
5、开关 RMS 电流推导
降压转换器上的开关可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。这里使用 MOSFET,因为它是中低功率应用中最流行的一种。MOSFET 的电流波形如下所示。

MOSFET 的电流波形
Q1 的 RMS 电流是面积 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形,A2是矩形。
1)A1 区域的 RMS

A1 区域的 RMS公式
2)A2 区域的 RMS

A2 区域的 RMS公式
因此,开关电流的 RMS 

开关电流的 RMS
简化后消除 Imax:

开关电流的 RMS 公式
6、 开关直流电流推导
MOSFET 的 RMS 电流始终高于 DC 电流,它是用于计算功耗以获得最坏情况的值。然而,无论出于何种原因,设计师都可能需要 DC 电平。因此,让我们将其包含在此降压转换器设计教程中。
总直流电平也是上述波形中 A1 和 A2 的直流电平之和。


重写方程以排除 Imax


7、降压转换器设计教程——二极管 RMS 电流推导
参考下面的波形,我们可以计算出二极管的 RMS 电流。只有当 MOSFET 不导通时,二极管才会导通。

MOSFET波形图

二极管 RMS 电流公式

二极管 RMS 电流公式
8、二极管直流电流推导
继续使用上述波形来确定二极管的直流电流

二极管直流电流公式
9、开关和二极管电压推导

降压转换电路
VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpike
Vspike 是由寄生电感引起的,可以假设为 VIN 的 40-70%。
VD1 最大值 = VIN 最大值 + Vspike
Vspike 是由寄生电感引起的,可以假定为 VIN 的 50-120%。
10、降压转换器设计教程——开关功率损耗推导
开关功率损耗由两个因素组成。一是导通损耗,二是开关损耗。传导损耗是由于开关上的固定电压降引起的,而开关损耗是由于开关的开关动作引起的。
这里使用 MOSFET,因此,贝洛方程适用于 MOSFET。
1)传导损耗

传导损耗公式
2)开关损耗

开关损耗公式
3)总 MOSFET 功率损耗

总 MOSFET 功率损耗公式
11、 开关电源应力和散热注意事项
开关的功率应力只是实际功耗除以功率容量。
Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力
对于没有散热器(开关未安装在散热器上):
耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc
  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tamax – 最高工作环境温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
如果需要计算器件的实际结温,可以按如下方式进行:
Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax
对于带散热器(开关安装在散热器上):
耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)
  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tcmax – 最大允许外壳温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
  • Rthchs – 从外壳到散热器的热阻,这是连接散热器和外壳的材料的热阻。
  • Rthhsa – 从散热器到空气的热阻,这实际上是所用散热器的热阻。
实际器件结温可计算为:
Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax
12、二极管功率损耗推导
损耗二极管 = Irms X VF
13、 二极管功率应力和散热注意事项
二极管的功率应力只是实际功耗除以功率容量
Pstress = Pdissipation 实际 / Pdissipation 能力
对于没有散热器(二极管未安装在散热器上):
耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc
  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tamax – 最高工作环境温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
如果需要计算器件的实际结温,可以按如下方式进行:
Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax
对于带散热器(二极管安装在散热器上):
耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)
  • Tjmax – 器件的最高结温
  • Tcmax – 最大允许外壳温度
  • Rthjc – 结到外壳的热阻
  • Rthchs – 从外壳到散热器的热阻。这是连接散热器和外壳的材料的热阻。
  • Rthhsa – 从散热器到空气的热阻。这实际上是所用散热器的热阻。
实际器件结温可计算为:
Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax
14、电感功率损耗推导
电感的功率损耗由两部分组成:直流损耗和交流损耗。在低开关频率和低功率下,AC 损耗很小,因此根本不包括在计算中。但是对于非常高的开关频率,你可以假设开关损耗与直流损耗几乎相同。直流损耗有时也称为铜损,而开关损耗也称为磁芯损耗。

电感功率损耗公式
15、 输出电容选择
下面的输出电容 (C1) 计算是通用的。但是,特定控制器可能有自己的公式来推导出输出电容的值,因为这与环路补偿有关。考虑到没有 ESR 的影响,可以使用下面的公式来确定输出电容的大小。
C1 = di / (Fsw X Vripple)
电解电容的ESR很大,分析时需要考虑。上面计算的电容应具有不高于下式的 ESR。
ESR = Vripple / di
  • ESR——等效串联电阻
  • di – 电感纹波电流
  • Fsw——开关频率
  • Vripple – 允许的输出纹波电压
纹波电流
所选输出电容的纹波电流额定值应高于以下公式的结果。

输出电容的纹波电流额定值
  • Irms_inductor – 电感 RMS 电流
  • I_load – 负载电流
16、 降压转换器效率方程推导
降压转换器效率可以使用以下等式计算。
效率 = (Pout / Pin) X 100%
Pout = Iout X Vout
Pin = Pout + Ploss 总计
效率 = [Iout X Vout / (Pout + Ploss 总)] X 100%
  • Iout – 负载电流
  • Vout – 输出电压
  • Pout – 总功率损耗
17、电路实例

电路实例
以上就是关于降压转化电路的设计,来源于网络
来源:https://www.toutiao.com/article/7140174347410440737

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