2 BUCK电路的拓扑及其工作原理
BUCK电路的基本拓扑结构如下图。开关器件Q,储能器件L、C,续流器件D,
负载R,直流电源Ui。首先给一个最基本的计算公式:
Uo = D x Ui ---- 式1
其中Uo是输出电压,Ui是输入电压,D是占空比,D = ton / T。
图1 BUCK电路拓扑结构
式1,如此简洁美丽的公式是怎么推导的呢~~~伏秒平衡。在稳定运行的BUCK电
路中,在一个开关周期内,电感充进去的能量与放出的能量总是相等的,可用式子
UL_ON x TON = UL_OFF x TOFF进行表示。
当电感电流连续,并且Q闭合时,那么图1可等效为图2。那么根据基尔霍夫定理,
我们可以计算电感两端的电压:
UL_ON = Ui – Uo ---- 式2
图2 Q闭合后相当于一条导线
当电感电流连续,并且Q断开时,那么图1可等效为图3。电感两端的电压为:
UL_OFF= -Uo ---- 式3
图3 Q断开,D自然续流
根据伏秒平衡UL_ON x TON = UL_OFF x TOFF,将式2和式3带入得:
(Ui – Uo) x TON = -Uo x TOFF
由于充电和放电方向相反,取模后可得:
(Ui – Uo) x TON = Uo x TOFF
简单移项求解可得
Uo=TON/(TON+TOFF) Ui
进一步化简得:
Uo = D x Ui
上式与式1完全一致。
上边我们只分析了电感电流连续的情况,电感电流不连续的情况在这里不做分析。
3 BUCK电路的设计
我们虽然分析了BUCK电路的拓扑及其拓扑的工作原理,但是在实际电路设计中还
是有很大的差别的。甚至可以说~~~真的用不上!推丸菌在这里的意思是:BUCK
的拓扑原理是集成在了芯片里面,芯片对外的接口基本跟BUCK拓扑无关。
选择了某公司的BUCK芯片,设计电路如图4。设计基本要求是不考虑工作效率,只
注重元器件占板面积。
参数 | 值 |
输入电压 | 12.0V |
输出电压 | 4.33V |
开关频率 | 1.1MHz |
图4 TPS54260电路图
计算输出电压
也许你会意识到Uo=D x Ui的公式,但在这里告诉您,该公式只适用于芯片内部拓
扑原理。实际设计中,我们直接套用DATASHEET中的公式即可。
Uo=0.8* Ru/Rd+0.8 ---- 式4
其中Ru是上分压电阻(R41),Rd是下分压电阻(R42),0.8V是芯片内部参考
电压。
Ru和Rd并不是只要满足比例关系就可以了,我们还好考虑VSENSE引脚的输入阻
抗(多数DATASHEET中不标注此参数),根据经验,一般选择小于10倍的输入阻
抗即可。
计算开关频率
我们要用异步的方案,从DATASHEET中找到开关频率计算公式,如式5。由于PCB
面积较小,所以在本设计中设计的开关频率较高,约为1.1M,开关频率高的好处是
可以减少功率电感的感值和尺寸,但有一个很大的缺点就是开关损耗大,效率低。
---- 式5
综合考虑输入电压/输出电压/占空比/开关频率
根据拓扑原理我们知道Uo = D x Ui,当输入电压是12V,输出电压是4.33V时,其
占空比约为1/3。也就是说在一个完整周期里芯片内的功率管导通1/3,截止2/3。
又因开关频率是1.1MHz,即周期为0.9us。所以开关管导通0.3us,关闭0.6us。
图5 芯片内部延时
RT/CLK falling edgeto PH rising edge delay的参数是60ns,设计中是0.9us,
占空比是0.3us,两个参数均大于60ns,所以本设计参数的选择是成立的。
在设计中输入电压/输出电压/开关频率都是相辅相成的,改变了一些参数后电源芯
片有可能就不能正常工作了。最重要的一个是最小占空比时间,在设计中一定要
充分考虑。
计算功率电感
BUCK电路的功率电感按公式6计算就可以了。
---- 式6
其中KIND一般选择0.1~0.3,fsw单位为Hz。