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凡亿电路图帮画3种(zhong)经典拓(tuo)扑电路图设计详(xiang)解

time : 2021-01-23 09:51       作者:凡亿pcb

在本篇文章中(zhong),将(jiang)从不同(tong)方(fang)面深入介绍降(jiang)压、升(sheng)压和降(jiang)压-升(sheng)压拓扑结(jie)构。
降压转换器
图1是非同步降压转换器的原理图。降压转换器将其输入电压降低为较低的输出电压。当开关Q1导通时,能量转移到输出端。
图1:非同步降压(ya)转换器(qi)原(yuan)理图
公式1计算占空比:
 
公式2计算最大金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应力: 
公式3给出了最大二极管应力: 
其中Vin是(shi)(shi)输(shu)入电压,Vout是(shi)(shi)输(shu)出电压,Vf是(shi)(shi)二(er)极管正向电压。
与线性稳压(ya)器或低压(ya)差稳压(ya)器(LDO)相(xiang)比(bi),输入电压(ya)和输出电压(ya)之(zhi)间的差异越(yue)大,降压(ya)转换器的效率就越(yue)高。
尽管降压转(zhuan)换器(qi)在输入端具有脉冲电(dian)流,但由于的(de)电(dian)感 - 电(dian)容(rong)(LC)滤(lv)波(bo)器(qi)位于转(zhuan)换器(qi)的(de)输出端,输出电(dian)流是(shi)连续的(de)。结果,与输出端的(de)纹(wen)波(bo)相比,反射到输入端的(de)电(dian)压纹(wen)波(bo)将会(hui)更大。
对于占(zhan)空比(bi)小且输出(chu)电(dian)流(liu)(liu)大于3A的(de)降压转换器(qi),建议使用同步整(zheng)流(liu)(liu)器(qi)。如(ru)果您的(de)电(dian)源需要大于30A的(de)输出(chu)电(dian)流(liu)(liu),建议使用多相或交错功(gong)率(lv)(lv)级,因为这样可(ke)以最大限度地减(jian)少组件的(de)应力,在多个功(gong)率(lv)(lv)级之(zhi)间分散产生的(de)热(re)量,并减(jian)少转换器(qi)输入端的(de)反射纹波。
使用N-FET时会造成占空比(bi)受限,因为自举电容需要在每(mei)个开关循环进行(xing)再充电。在这种情(qing)况下,最大占空比(bi)在95-99%的范围内(nei)。
降(jiang)压转换(huan)器通常(chang)具有良好(hao)的(de)(de)动态特性,因为它们为正向拓扑结构(gou)。可实(shi)现的(de)(de)带宽取决于误差放大(da)器的(de)(de)质量(liang)和所选择的(de)(de)开关频(pin)率。
图2至图7显示了非同步降压转换器中FET、二极管和电感器在连续导通模式(CCM)下的电压和电流波形。 
升压转换器
升压(ya)(ya)转换器将其输(shu)入电压(ya)(ya)升高为更大的输(shu)出电压(ya)(ya)。当开关(guan)Q1不导通时,能量(liang)转移到输(shu)出端。图(tu)8是非同步升压(ya)(ya)转换器的原(yuan)理图(tu)。
 
图8:非同步升压转换器原理图
公式4计算占空比:
公式5计算最大MOSFET应力:
公式6给出了最大二极管应力:
其中Vin是输(shu)入(ru)电压,Vout是输(shu)出电压,Vf是二极(ji)管正向电压。
使(shi)用升(sheng)压转换器,可以看到脉冲输出电(dian)流(liu),因(yin)为LC滤(lv)波器位于输入(ru)端。因(yin)此,输入(ru)电(dian)流(liu)是连续(xu)的(de),输出电(dian)压纹波大于输入(ru)电(dian)压纹波。
在(zai)设计升压转换(huan)(huan)器(qi)时,重要的(de)(de)是要知道(dao),即使转换(huan)(huan)器(qi)不在(zai)进行切换(huan)(huan),也会有从输(shu)入到输(shu)出(chu)的(de)(de)永久连(lian)接。必须采取(qu)预防措施,以防输(shu)出(chu)端可能发生(sheng)的(de)(de)短路事件。
对于(yu)(yu)(yu)大(da)于(yu)(yu)(yu)4A的(de)(de)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)流,应使用同步整流器替(ti)换二极管(guan)。如果电(dian)(dian)源需要提(ti)供大(da)于(yu)(yu)(yu)10A的(de)(de)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)流,强烈建议采用多相或交(jiao)错功率级方式(shi)。
当在CCM模式下工作时,升压转换器的动态特性由于其传递函数的右半平面零点(RHPZ)而受到限制。由于RHPZ无法补偿,所以可实现的带宽通常将小于RHPZ频率的五分之一到十分之一。请参见公式7: 
其中Vout是(shi)输出电压,D是(shi)占(zhan)空(kong)比,Iout是(shi)输出电流,L1是(shi)升压转换器的电感(gan)。
图9至图14显示了非同步升压转换器中FET、二极管和电感器在CCM模式下的电压和电流波形。
降压(ya)-升压(ya)转(zhuan)换器
降压-升压转换器是降压和升压功率级的组合,共享相同的电感器。参见图15。
图15:双开关降压-升(sheng)压转(zhuan)换(huan)器原理图
降压-升压拓扑结构很实用,因为输(shu)入电压可(ke)以比输(shu)出电压更小、更大或相同,而需(xu)要输(shu)出功(gong)率大于(yu)50W。
对于小于50W的(de)输出功(gong)率(lv),单端初级电感转换器(SEPIC)是一种更具成本效(xiao)益的(de)选(xuan)择,因为它使用较(jiao)少(shao)的(de)组(zu)件。
当(dang)输(shu)入(ru)电(dian)压大(da)于(yu)输(shu)出(chu)(chu)电(dian)压时(shi),降(jiang)压-升(sheng)(sheng)压转换(huan)器(qi)以(yi)降(jiang)压模式(shi)工(gong)作(zuo);输(shu)入(ru)电(dian)压小(xiao)于(yu)输(shu)出(chu)(chu)电(dian)压时(shi),在(zai)升(sheng)(sheng)压模式(shi)下工(gong)作(zuo)。当(dang)转换(huan)器(qi)在(zai)输(shu)入(ru)电(dian)压处于(yu)输(shu)出(chu)(chu)电(dian)压范围(wei)内的传输(shu)区(qu)域中工(gong)作(zuo)时(shi),处理这些(xie)情况有两个概(gai)念:或(huo)是(shi)降(jiang)压和(he)升(sheng)(sheng)压级同时(shi)有效,或(huo)是(shi)开(kai)关(guan)循(xun)环(huan)在(zai)降(jiang)压和(he)升(sheng)(sheng)压级之间交替,每个通常以(yi)正(zheng)常开(kai)关(guan)频率的一半运行(xing)。第(di)二个概(gai)念可以(yi)在(zai)输(shu)出(chu)(chu)端引(yin)起(qi)次谐波噪(zao)声(sheng),而与(yu)常规降(jiang)压或(huo)升(sheng)(sheng)压工(gong)作(zuo)相比,输(shu)出(chu)(chu)电(dian)压精度可能不那(nei)么精确,但(dan)与(yu)第(di)一个概(gai)念相比,转换(huan)器(qi)将更加有效。
降压(ya)-升压(ya)拓(tuo)扑结构在输入和(he)输出端都有脉冲电流(liu),因为任一方向都没有LC滤波器。
对(dui)于降(jiang)压(ya)-升(sheng)压(ya)转(zhuan)换(huan)器(qi),可以分别使用降(jiang)压(ya)和升(sheng)压(ya)功率级计算。
具有两个开关的降压(ya)-升压(ya)转换器适用(yong)于50W至(zhi)100W之间(jian)的功(gong)率范围(如(ru)LM5118),同步整流功(gong)率可达(da)400W(与(yu)(yu)LM5175相(xiang)同)。建(jian)议使(shi)用(yong)与(yu)(yu)未组合降压(ya)和(he)升压(ya)功(gong)率级相(xiang)同的电(dian)流限(xian)制的同步整流器。
您需要为升压级设计降压-升压转换器的补偿网络,因为RHPZ会限制稳压器带宽。
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