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Buck變換器是如何演變過來的
發布時間:2022-11-08 閱讀量:772 來源:我愛方案網整理 作者:我愛方案網

Buck的由來  

 

Buck變換器又稱降壓變換器、串聯開關穩壓電源、三端開關型降壓穩壓器。學過電子的應該都知道,如何從一個電壓()得到自己想要的電壓值(),可能最簡單的方式就是通過電阻分壓,如下面的方式。 

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

這種方式最方便快捷,現在一般的電壓采樣基本采用這種方式,但是如果功率稍微大一點呢?由于R1和R2是串聯的,所以在R1上的損耗不可忽視,如果所要的電壓值遠低于輸入電壓,那么該電路的效率就會極其低下。對該電路嘗試進行變形,將R1更換為三極管,也就是現在的LDO模型,如下: 

  

Buck變換器是如何演變過來的

 

通過變型,那么原來在R1上的損耗轉移到三極管Q1上面去了,由于Q1承受輸入和輸出的壓差,所以該電路的效率也比較低下。為了提升效率,之前三極管是工作在線性狀態,是否可以更改為開關狀態呢?這樣三極管就只有開關損耗和導通損耗,那么損耗就會大大的降低。可以更改為如下電路:  

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

該電路工作周期時間為Ts,導通時間為Ton,那么占空比就是D=Ton/Ts,但是這樣輸出電壓與開關狀態高度關聯,S1導通時有輸出電壓,S1關斷時沒有輸出電壓,但是輸出負載總是需要連續的能量供給,這對于輸出端負載是不可接受的。這就需要進行解耦,在變換器一定位置引入儲能元器件電容,這樣在即使在輸入端S1斷開的情況下,輸出端電容也可以進行持續的能量輸出,保證輸出電壓的穩定。  

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

如果這樣做,大家有沒有看出會帶來什么樣的效果?由于電容兩端的電壓不能突變,當S1閉合的時候,那么會在線路中產生一個非常大的沖擊電流,它不僅導致噪聲和EMI問題,這個時候S1可能會被損壞。所以需要對其進行限流,如下: 

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

加入R2限流電阻后,在S1閉合瞬間就沒有那么大的沖擊電流了,但是由于R2是串聯在主功率回路中,電阻就會消耗功率,這樣,在開關上減小的功耗最終可能又消耗在所加的電阻上。因此,為了最大限度的提高效率,可以將R2變換為電抗元件,從原理上來說,電抗原件僅存儲能量不消耗能量,大家知道,電感兩端的電流不能突變,所以在開關S1閉合的時候,電感可以很好的抑制沖擊電流而不消耗能量。如下:  

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

這樣解決了S1閉合時由于C1的作用引起的浪涌沖擊電流,但是當S1斷開的時候呢?剛才有提到,電感兩端的電流不能突變,當S1突然斷開,就相當于電感的電流產生了突變,由于沒有續流的回路,那么電感存儲的能量就會以“拉弧”的方式消耗,這樣就會產生一個非常大的電壓尖峰。所以,為了給電感L1提供一個續流路徑,需要增加一個續流二極管,如下:  

 

Buck變換器是如何演變過來的

 

這樣,當S1突然斷開,L1的能量就會通過二極管進行續流,所以我們也叫續流二極管。當然,為了提升效率,可以將續流二極管更換為MOSFET,如下:  

 

Buck變換器是如何演變過來的

  

這樣一個同步Buck變換器就產生了。可以將電感在不同的位置放置變換為不同的拓撲結構,放在輸入端就是Boost變換器,放在下面就是Buck-boost變換器。所以,基本的變換器其實就只有這三種,其他很多拓撲結構都是這三種基本變換器的演變。

 

比如正激就是Buck的隔離版本,反激就是Buck-boost的隔離版本。

 

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