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Buck電路工作原理（buck電路的工作原理）

2023-02-01 15:17:33來源：互聯(lián)網(wǎng)  

12V — 5, 0.5A

考慮到USB 5V輸出的保護(hù)問題，后面會在USB 5V輸出端串一個(gè)可恢復(fù)保險(xiǎn)絲，但是這個(gè)保險(xiǎn)絲有壓降，所以就需要做一個(gè)BUCK電路輸出5V電壓，這里采用的是分立元件搭建的 12V轉(zhuǎn)5V的BUCK電路。

Buck伏秒平衡推導(dǎo)


(資料圖片)

由于前面已經(jīng)把Boost伏秒平衡都推導(dǎo)過了一遍，那么Buck電路的思路其實(shí)也是一樣，下面就把Buck的核心推導(dǎo)思路講一遍。下面這幅圖是Buck電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一起來分析一下。

如上圖所示，當(dāng)開關(guān)閉合on時(shí)，此時(shí)Vin給電感充電的同時(shí)，也在給電容和負(fù)載提供能量；當(dāng)開關(guān)斷開off時(shí)，此時(shí)電感放電，并且電感給電容充電的同時(shí)也在給負(fù)載提供能量。

我們知道，之所以輸出電壓Vo能達(dá)到平衡，是因?yàn)殡姼械某潆婋娏?放電電流。那么，我們知道電感的電流與感量的關(guān)系：

電感充電時(shí)，Δt為ton；電感放電時(shí)，Δt為toff。

同樣的，我們再來分別分析ton和toff期間，電感兩端的電壓。

電感量公式推導(dǎo)

PWM發(fā)生電路

根據(jù)上面的公式初步計(jì)算出匹配電阻和電容。通過計(jì)算可以知道，三角波的低閾值是3.371V，高閾值是7.014V，三角波的頻率是59KHz。當(dāng)然，由于電阻和電容的誤差，特別是電容有20%的誤差，最終要以實(shí)測為準(zhǔn)。同時(shí)，根據(jù)上面的公式計(jì)算出來的電感量，選擇100uH的感量。另外，這是在輸出Io達(dá)到0.5A*0.5=0.25A的時(shí)候，電感工作進(jìn)入BCM臨界連續(xù)模式。由于Io=0.25A時(shí)，電感進(jìn)入BCM模式，所以ΔI/2=0.125A。那么當(dāng)輸出Io=0.5A時(shí)，Ipk=Io+ΔI/2=0.625A（這里的公式會在后面詳細(xì)給推導(dǎo)）。所以我們在電感選型時(shí)，可以選用稍大一點(diǎn)的100uH 1A的貼片功率電感。

同時(shí)，需要有一個(gè)欠壓保護(hù)電路，低于7.8V時(shí)，MOS管驅(qū)動(dòng)電路斷電，從而保護(hù)MOS管。這是由于MOS管是高電平關(guān)斷，所以如果這個(gè)高電平低于閾值時(shí)，會關(guān)不了，容易造成損壞。

電流環(huán)是帶有自鎖功能的，防止由于過流出現(xiàn)頻繁開關(guān)的狀態(tài)?；驹砭褪?，當(dāng)電路出現(xiàn)過流時(shí)，采樣電阻兩端的電壓使得Q7 管導(dǎo)通，從而使得Q8導(dǎo)通。然后左邊的自鎖電路由于Q8的C極是低電平，所以Q9就會導(dǎo)通；當(dāng)Q9導(dǎo)通了之后，Q10的基極就會有電流，讓Q10導(dǎo)通；Q10的導(dǎo)通把Q8的C極給鉗位住了，同時(shí)也把比較器6腳的直流電平信號拉低，讓比較器輸出高，MOS管關(guān)斷。只有重新斷電再上電，電路才能復(fù)位，正常工作。

最終，12V轉(zhuǎn)5V的BUCK完整電路如下圖所示：

12V轉(zhuǎn)5V的分立BUCK電路，由于輸出電壓只有5V，不能用N-MOS管+自舉電容的方式來設(shè)計(jì)，所以，這里采用的是P-MOS管，但需要注意推挽的輸出邏輯，當(dāng)推挽輸出高電平時(shí)，對應(yīng)的是P-MOS管的關(guān)斷。整體思路就是：用滯回比較器做一個(gè)三角波發(fā)生器，然后和直流電平相互比較產(chǎn)生方波，用這個(gè)方波驅(qū)動(dòng)MOS管，當(dāng)然中間需要加一個(gè)推挽來提高M(jìn)OS管的驅(qū)動(dòng)能力。

此BUCK電路也有TL431設(shè)計(jì)的精密的電壓環(huán)，將輸出電位控制在5V。TL431的K極接到比較器的直流電壓端輸入6腳，通過改變TL431的內(nèi)阻，與R17進(jìn)行分壓，來實(shí)現(xiàn)6腳直流電平的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)，讓輸出電壓穩(wěn)定在5V。

精密TL431工作原理

當(dāng)VCC電源剛剛建立起來時(shí)，通過R17讓TL431達(dá)到最小工作電流。

那么，隨著輸出電壓逐步的升高，當(dāng)電壓上升到比如5.002V時(shí)，經(jīng)過電阻分壓后的電位是2.501V，也就是說誤差放大器的輸入端的壓差是0.001V。假設(shè)TL431的誤差放大倍數(shù)是1000倍，那么，壓差經(jīng)過放大后是1V，這個(gè)1V來驅(qū)動(dòng)三極管的B極，讓三極管CE導(dǎo)通。當(dāng)然，誤差放大器從0V到1V之間肯定有一個(gè)變化的過程，也就是說，隨著誤差放大器輸出端的電位在0V~1V之間變化時(shí)，431內(nèi)部三極管的CE內(nèi)阻也在慢慢變小。

當(dāng)431內(nèi)部三極管CE內(nèi)阻變小后，與R17電阻進(jìn)行分壓，使得比較器6腳的直流電平降低，減小占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

由于誤差放大器的放大倍數(shù)很大，只要輸出電壓高于5V一丁點(diǎn)，就能讓TL431內(nèi)部等效阻抗減小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在5V。另外，這里需要注意的是，TL31的最小工作電流是1mA，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要保證TL431的最小工作電流至少在1mA。

在LDO電路中的C22電容是起到微分調(diào)節(jié)的作用。假設(shè)沒有這顆電容，當(dāng)負(fù)載突變的時(shí)候，比如說輸出電壓陡然減小，此時(shí)TL431的內(nèi)阻也會隨之陡然增大，比較器6腳的直流電平會快速升高，造成超調(diào)，讓占空比增大的過快，繼而輸出電壓會過大。如此往復(fù)周而復(fù)始，輸出電壓紋波就會很大。但是電路有由于有了C22微分調(diào)節(jié)電容的存在，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，由于電容兩端的電壓不能突變，電容的電位會有一個(gè)緩慢的斜率，所以，TL431的內(nèi)阻的變化不會那么激烈，起到微分調(diào)節(jié)的作用。（后面會專門針對硬件PID進(jìn)行講解）

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