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【龙腾原创】Buck电路的设计与参数计算

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chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-10 17:22:52
一、背景、
Buck电路,又名降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。其所用外围器件少,成本低,高能效,同时可以做到小型化,因此在计算机,消费产品等需多电源供电的电子系统中有着广泛的应用。

二、Buck电路拓扑结构

主要由一个开关管Q1,二极管D1,电感L,输出电容C组成的Buck变换电路,因此可以看出其电路组成结构简单,器件较少,因而成本较低。如图2-1所示


图2-1 Buck电路的基本结构

三、Buck工作原理
下图3-1为Buck电路开关波形,及其传递函数。

图3-1 Buck电路的基本开关波形
Vin为输入电压,
Vout为输出电压,
FswQ1开关频率
L为电感元件的电感值L
D为开关导通占空比
根据电感元件在一个开关周期内的伏秒特性,可以写出Buck电路的传递函数,如图3-2所示

图3-2 Buck电路的传递函数计算方法

四、控制模式
如下图所示为Buck电路常见的两种控制模式。图4-1为电压控制模式,图4-2为电流控制模式。实际应用中最常见的是电压控制模式




图4-1 电压控制模式


图4-2 电流控制模式
对于电压控制模式,以及电流控制模式他们有不同的优缺点,以及不同应用场景。对于这两张控制模式,现做一个简单的比较
电压控制模式:
1,响应较慢
2,由于存在ESR,有二阶响应作用
3,补偿较为困难
电流控制模式:
1,每周期逐波限流
2,一阶系统容易补偿
3,快速响应
4,容易引起次谐波振荡

五、电感的计算

当Buck电路处于临界工作模式CRM下,电感值的计算如下。首先我们来开临界工作模式下,Buck电路的主要波形,如图5-1所示


图5-1 Buck电路工作在临界条件下的波形

假定我们要设计一个输入Vin在8~15V,输出Vout为3.3V,额定工作电流Io=3A,工作频率为500KHZ的Buck电路。在临界条件下,电感值计算公式如下5-2所示



图5-2 电感临界值的计算。
通过计算可知,工作在临界条件下,电感值为0.85uH。要使得Buck电路工作在连续CCM模式下,电感必须L>0.85uH。
——————————————
未完待续

















xbadx
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初级工程师
  • 2014-7-10 17:27:15
 
写的很好啊 期待楼主更新
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-10 19:51:58
 
那是必须的,好东西与大家分享
tingting2013
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副总工程师
  • 2014-9-3 21:35:39
 
怎么没有更新?
cxm3141
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高级工程师
  • 2014-7-10 20:46:25
 
内容很新颖,与其他帖子不一样,支持一下
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-11 09:50:51
 
感谢感谢,都是在工作中总结出来的实际经验
希望与大家多交流交流
王力浩
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助理工程师
  • 2014-9-28 21:45:53
 
我一开始做的时候,反馈运放那边没设计好,导致负载电流下降时进入断续模式,输出电压上升。这个误差放大器这边一般怎么调试的
YTDFWANGWEI
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版主
  • 2014-7-11 08:52:40
 
楼主,请问IPK计算里,公式对吗?你将数据带进去,结果是6吗?
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-11 09:46:47
 
我靠,看的很仔细啊。用公式编辑器编辑的,当时应该编辑错了。现在修改一下。
多谢指出,官人见笑了
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-11 10:35:03
 
每个帖子,我只要参与的都是详细看一遍的,隐藏的错误可能发现不了,最基本的还是能看出来的。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-11 10:49:49
 
希望以后可以多交流
363312050
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初级工程师
  • 2014-7-11 14:09:51
 
小弟拜读。
恳请楼主继续
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-11 17:08:04
 
感谢关注,近期会抽时间将其完善
363312050
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初级工程师
  • 2014-7-14 09:23:42
 
加个QQ多多交流 363312050
化二为一
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副总工程师
  • 2014-7-14 09:52:49
 
还是计算不详细,还没有涉及电感的设计
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-21 12:44:18
 
QQ371985376
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-21 12:51:53
 
今后可以多交流
hanshui1988
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本网技师
  • 2014-7-14 09:57:10
 
楼主赶紧更新啊
chengzhibo2010
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  • 2014-7-15 17:47:49
 
最近工作忙,都没时间哈。感谢关注啊,一定尽快更新
joe813
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  • 2014-7-17 11:26:17
 
期待楼主继续更新啊
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-21 12:43:01
 
正在更新中,敬请期待
site-is-rubbish
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高级工程师
  • 2014-8-12 15:07:11
 
小弟拜读。
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-20 17:58:16
 
楼主,我也看了一些其他的资料,发现些不一样的地方,楼主有遇到吗??就是计算电感是楼主是用Ipk算。但有些资料是用纹波的峰峰值算。比如输出电流Io2A。楼主算法Ipk=1.4*Io=2.6.用纹波峰峰值算的话。为一般纹波为电流的30%,所以纹波峰峰值为2*30%=0.66;两种方法:如果将这两个值带进式子计算是能差出4倍呢。楼主求解释啊。小弟想不通的。现在就是纠结在是用电流的峰峰值还是纹波峰峰值计算。
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-21 08:45:22
 
楼主设计的是电感工作在DCM状态下。那么峰值就是纹波的峰峰值。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-21 12:42:26
 
计算的电感时候,是先考虑临界条件计算电感值。此时纹波也是峰峰值。
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-21 13:04:02
 
你的设计,就是按照最大电流的时候工作在临界,我没说错吧?
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-23 14:01:35
 
是的哈,你说的没错
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-21 12:49:01
 
这两种计算值都是符合逻辑的。本文的计算是计算临界电感值,通过临界电感值,得到CCM或者DCM的电感值。临界电感值只是能够取到的电感极限值。你的方法:为一般纹波为电流的30%,所以纹波峰峰值为2*30%=0.66。这个是在电流纹波为30%精确值单值计算。没有问题
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 13:38:33
 
也就是说楼主的计算方法是假设电感工作在BCM(临界导通状态)所以电流的变化就是电流的峰峰值,而我的计算方法是假设电感工作在CCM连续导通状态,由于电流不能到达零,所以要以纹波的峰峰值作为电流的变化。我理解的对不对呢??还有就是按照楼主的办法计算,那怎么确定CCM和DCM的状态下电感的大小呢???比如计算出临界状态时计算出电感值为1mh那CCM和DCM状态下电感值我应该去多少呢???请大神帮忙解释一下。小弟这里没有理解。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-23 13:59:46
 
第一个问号,你的理解是对的。
第二个问号,根据你的假设,计算的临界电感是1mH。也就是说,电感取大于1mH,都是CCM,小于1mH都是DCM模式。电感值1mH是CCM和DCM的临界情况,即CCM与DCM的分界。
多说一点,电感值的最终确定,还是需要根据你的纹波电压,纹波电流,占空比,输出电压值确定最终电感值。
后面我会抽时间完善本帖,你可以继续关注一下
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 14:47:25
 
小弟还有个问题就是,是不是在我输出最大功率知道了,输出电压输入电压知道了,输出电流也知道了,是不是工作在DCM还是工作在CCM都是由电感的大小决定的?另一个疑惑,当我电感确定后,负载变换后,电感的工作模式是不是会变换。负载变小时工作模式怎么变?负载变大时,工作模式又是怎么变的呢?
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-23 14:56:40
 
只要电感取得大于临界值,都是CCM模式,不会因为负载变化而改变工作模式
你可以看一下我更新的内容。
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-23 14:58:01
 
你这句话就错了,空载还是CCM模式?
THTTH1982
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  • 2014-9-30 12:54:22
 
看是什么IC控制了。我用一款叫TD1519A的芯片,带同步。输出600KHZ。电压从15-28V输入。输出12V1A, 不管是空载还是带载,都是CCM。
空载但不能等同于“负载”
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-23 14:59:01
 
负载电流降低到一定程度,会有CCM进入DCM。负载电流增大,如果原来是CCM。仍会是CCM,如果原来是DCM有可能会进入CCM。
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 15:12:21
 
是不是当电流减少到一定值后,电感在开关管关段的时间能存储的能量,在释放的时候的时间小于开关管打开的时间,所以就进入了DCM。那这个电流能计算出来吗???是不是和开关的时间有关系呢??问题还深究了就好多啊哈哈。大神求助啊
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-23 15:18:32
 
BUCK是开关导通储存能量吧?
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 15:25:04
 
是我表达不清楚,是导通存储能量。那小弟的上个问题,这个小电流能计算吗???
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-23 15:27:16
 
知道开关频率,电感,是可以计算的。因为知道电感就可以计算纹波电流,而BCM状态下,纹波电流是输出电流的2倍。
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 23:03:46
 
是不是我可以这样算,在开始计算电感的时候我就拿我最小的电流值算,并且我 按照在BCM状态下的公式计算。得出一个电感值,我只要取电感值大于这个计算的值就可以了??当我工作电流变大的时候电感也不会进入DCM。是这样考虑的吗????
YTDFWANGWEI
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  • 2014-7-24 08:49:02
 
是的。
chengzhibo2010
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  • 2014-7-24 10:01:45
 
可以考虑
hant1216
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  • 2014-7-23 15:01:54
 
楼主,小弟还有个问题就是,你贴出来的两种反馈模式的图拓扑结构不是buck电路吧。,并且还加了变压器,这是怎么回事。这是什么图,还是buck也能这样接。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-24 10:06:39
 
这仅仅只是一个反馈环路示意图,实际上是反激的控制环路。BUCK的控制环路你有兴趣的话,可以继续讨论
hant1216
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  • 2014-7-24 18:08:56
 
开关电源我都感兴趣的
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-23 14:50:13
 
接上未完内容
————————————
5.1 CCM模式下电感值的计算
假定允许的最大纹波电流为输出电流的20%,Vin输入范围为8-15V,输出电压为3.3V,工作频率为500KHZ,则在纹波电流为20%情况下的电感值计算值为,如下公式


代入相关值,计算得到允许纹波电流为20%情况下,电感值为8.5uH


此时流过电感的电流峰值为Ipk=3+3*20%/2=3.3A
如下图5-2所示,为CCM工作模式下各点相关波形。


——————————
未完待续
hant1216
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本网技师
  • 2014-7-23 15:22:10
 
正解,电感的计算是理解啦,感谢楼主的贴。好贴,我们顶起,好好讨论些问题。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-7-24 10:02:45
 
感谢支持撒,互相学习
363312050
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初级工程师
  • 2014-7-28 09:44:26
 
继续关注 顺便提下新贴https://bbs.21dianyuan.com/189693.html 关于磁性元件的计算,请大家关注
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 09:49:23
 
学习一下
xuyongpan
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本网技师
  • 2014-9-12 11:03:39
 
这是个好贴 电感算完了 马上涉及到电感的磁芯的选取 搞通了 就牛逼了
ytfeng866
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高级工程师
  • 2014-8-6 22:43:40
 
楼主的讲解深入浅出啊,使复杂的问题觉得一下子明了了,好贴啊,期待后续精彩内容。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-7 14:23:44
 
有什么需求可以提出来
suifengpiaoyangfu
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LV3
助理工程师
  • 2014-8-13 10:39:21
 
楼主之前的计算式基于负载最重的时候工作在临界模式,然后选取电感,
这样会不会导致负载稍微变化,工作模式就发生变化了呢?比如负载稍微减轻些,
就从CCM变化到DCM模式了,


另外,有一个疑问,假如本来设计好的CCM模式,如果跳到DCM模式上去了,会产生什么样的影响?
YTDFWANGWEI
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版主
  • 2014-8-13 10:50:40
 
因为他就是按照全范围DCM设计的,不想让他工作在CCM。
xinhhy
  • xinhhy
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LV3
助理工程师
  • 2014-8-19 13:36:00
 
看到很多关于设计电感量的计算,但是没有看到计算圈数的,如果给出一个磁芯,怎么计算圈数呢?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-25 08:33:38
 
查磁芯的Al值,根据L=Al*N*N计算匝数。
Friedel
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助理工程师
  • 2014-9-23 21:16:32
 
电感的公式是怎么推出来的?
chenxi0209
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助理工程师
  • 2014-11-17 16:08:37
  • 倒数9
 
如果用公式L=(VI-VO)/△I*T*D算出来的结果是一样的,就是用输入电流变化和输出电流变化都是可以计算电感的。另外这个结果和在负载从10%起开始进入CCM计算结果是一样的,就是这个公式也是从10%起开始进入CCM状态!!对吧?
六道之鼬
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助理工程师
  • 2014-8-4 13:19:02
 
完全看不懂啊,有没有这方面的书籍呢
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 09:48:34
 
书籍的话,其实外面有很多,基本都是翻译国外教材
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 09:51:16
 
初学者来说,应该是由易到难的过程。刚开始,有点难理解。多体会一下,会有收获的
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-5 09:54:15
 
去找图灵电子玉电气工程丛书,是翻译的国外的资料,还是挺不错的,比国内写的那些强。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 10:01:22
 
楼上说的是,国内有本书张占松写的《开关电源的原理与设计》,也可以看看
YTDFWANGWEI
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  • 2014-8-5 10:28:13
 
还是算了吧,都是东凑西凑的一些东西。国内的你还是看电力电子,电路这些吧。
六道之鼬
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助理工程师
  • 2014-8-8 14:11:44
 
谢谢大家啦!!!
六道之鼬
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助理工程师
  • 2014-8-4 13:20:26
 
为什么要计算传递函数
传递函数是怎样计算出来的

chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 09:47:17
 
计算传递函数,主要是为了计算环路补偿部分。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-5 09:47:48
 
设计环路部分会用到
六道之鼬
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助理工程师
  • 2014-8-8 14:14:56
 
设计环路。。学习了
THTTH1982
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  • 2014-8-10 13:14:31
 
分析的不错,
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-14 13:51:36
 
zhangguosong4
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  • 2014-8-11 08:28:40
 
不错,学习了。。。
chengzhibo2010
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本网技师
  • 2014-8-14 13:51:58
 
互相学习
bobery
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高级工程师
  • 2014-8-18 08:55:14
 
谢谢分享
幻灭
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本网技师
  • 2014-8-20 08:24:23
 
写的很好啊,起码没有一大推让人头疼的公式理论
zhangguosong4
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高级工程师
  • 2014-8-25 07:58:26
 
不错,学习了。。
gdszjia
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本网技师
  • 2014-8-27 23:54:33
 
期待楼主继续更新。赞!
RC14号仔
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本网技师
  • 2014-8-30 14:23:00
 
留个位~~~
jsh560
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  • 2014-8-31 16:46:02
 
zhangguosong4
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  • 2014-9-1 09:19:57
 
不错,来学习了。。
langdno1
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  • 2014-9-3 22:19:25
 
期待楼主继续更新
surface
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高级工程师
  • 2014-9-4 10:57:52
 
写的非常详细,已经认真学习了楼主的帖子,关于BUCK讲的很好
刘庚桥
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助理工程师
  • 2014-9-5 10:53:22
 
强列支持,
THTTH1982
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  • 2014-9-5 12:16:30
 
有空我弄个公式上来。一步步的操作全都有,填参数就行了
YTDFWANGWEI
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  • 2014-9-5 12:41:02
 
傻瓜式的表格,对于熟练的人是可用的,对于初学者反而没好处。
THTTH1982
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  • 2014-9-5 12:53:39
 
有公式与步骤的,初学者一样可以看,也可以算。
tap510
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本网技师
  • 2014-9-9 21:11:05
 
最近入手调试buck电路,输入12V,输出10V,输出电流1A,按照楼主的思路计算在DCM模式下我的频率150kHz时的电感为小于5.4uh,怎么仿真出来的输出电压电流都很低啊,麻烦赐教!
ypp314159
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高级工程师
  • 2014-9-10 14:53:03
 
这里的输入是8~15V,在临界条件下,输入电压怎么选啊
YTDFWANGWEI
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  • 2014-9-10 16:13:39
 
输入电源是你设计的时候电压的变化范围,是无法选的。
chenshuhui209811
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LV8
副总工程师
  • 2014-10-16 18:10:06
 
问下楼主,降压变换器工作在ccm和dcm的条件?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-11-14 16:56:44
 
条件?电感电流存在纹波,当输出电流降低到一定程度后,就进入DCM了。
THTTH1982
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  • 2014-11-16 19:08:58
 
我这里有一个同步BUCK的波形,带载与空载输出一样.IC 用的TD1519A
波形如下.开关波形


带载纹波



THTTH1982
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  • 2014-11-16 19:11:22
 



我用的是贴片75的电感.奇怪的是,把电感换个方向装,效果就不一样了,看上图.咱回事.搞的我不懂了.
hlp330
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  • 2014-11-17 11:12:36
  • 倒数10
 
,什么特殊的电感,还认方向的?
YTDFWANGWEI
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  • 2014-11-17 10:13:56
 
何工,同步整流的BUCK,一直工作在CCM。
sean2012
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本网技师
  • 2014-11-14 16:45:12
 
学习了
三代魔王
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本网技工
  • 2016-3-11 16:49:50
  • 倒数8
 
谢谢分享。。。。。
xukejiang86
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本网技工
  • 2018-4-4 16:57:12
  • 倒数7
 
谢谢楼主分享,电感会计算了,输入电容和输出电容怎么计算啊
yjc0505
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初级工程师
  • 2018-7-23 14:53:02
  • 倒数6
 
谢谢楼主分享,很好的帖子。希望能增加输入电容和输出电容的计算方法。如何可以再分析一下BOOST电路就更好了。
Liwis
  • Liwis
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  • 2019-8-25 14:49:08
  • 倒数5
 
你好  版主   Ipk怎么等于2XIo=6A  这里不是很明白 谢谢伟大的版主 与大神们指导一下
L1BB
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  • 2019-9-3 11:04:44
  • 倒数4
 
临界状态下,纹波电流是输出电流的2倍
Liwis
  • Liwis
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  • 2019-9-4 08:26:17
  • 倒数3
 
这个 明白 谢谢 我明白了 三个模式的电流了
L1BB
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  • 2019-9-4 08:50:45
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嗯嗯
Liwis
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