降壓轉(zhuǎn)換器

降壓或降壓轉(zhuǎn)換器是一種廣泛使用的DC / DC開關(guān)穩(wěn)壓器。制造商通過其控制器提供降壓集成電路。降壓DC / DC轉(zhuǎn)換器是一種能夠?qū)⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為低于輸入電壓（降壓，VOUT

VL1（on）= VIN– VOUT

當(dāng)M1處于“關(guān)閉”狀態(tài)且二極管導(dǎo)通時(shí)，在第一階段，電感上的電壓為：

VL1（關(guān)）= –VOUT

電氣方案

讓我們看一下圖1中的接線圖。它是一個(gè)具有以下特性的降壓轉(zhuǎn)換器：

• 電源：50 VDC
• 開關(guān)元件：頻率為20 kHz的IRF530
• 電感：400 uH
• 電容：100 μF
• 負(fù)載：30Ω

圖1：降壓轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖

模擬

讓我們開始進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換器的研究，首先進(jìn)行觀察以下參數(shù)的仿真：

• 電路的輸入電壓
• 負(fù)載上的輸出電壓
• 允許切換狀態(tài)的脈沖平方電壓

模擬持續(xù)2 ms，因此您可以觀察40個(gè)振蕩周期。在圖2中，我們可以看到三個(gè)軌跡：

綠色跡線顯示50 V電路電源電壓（VCC）。

青色跡線顯示了45V的脈沖串，可以打開和關(guān)閉MOSFET（Vgate）。

紅色軌跡顯示了30Ω負(fù)載（VOUT）上的電路輸出端的20V電壓。

圖2：在此仿真圖中，我們可以觀察到輸入電壓，輸出電壓和開關(guān)信號(hào)。

根據(jù)此電路中使用的組件的電流值，我們可以注意到一些情況：

20 VDC的輸出信號(hào)在經(jīng)過1 ms的瞬變后會(huì)穩(wěn)定下來，在0.2 ms時(shí)出現(xiàn)35 VDC的峰值（圖3a）。設(shè)計(jì)人員必須評(píng)估此初始電壓升高，以避免損壞器件。

輸出信號(hào)受0.8V紋波影響（圖3b）。可以通過增加電容器C1的電容來減小或消除它。故意將電容器的值選擇得較低，以更好地突出紋波。

圖3：輸出信號(hào)的初始峰值（a）及其紋波（b）

電感上的電流

電感上的平均電流大約等于輸出電流。在“導(dǎo)通”階段，MOSFET中的電流將等于電感器中的平均電流加上一個(gè)紋波。反之亦然，在“關(guān)斷”階段，在D1中循環(huán)的電流將等于電感器中的平均電流與電流紋波的總和（圖4）。在我們的示例中，電流約為700 mA。

圖4：降壓轉(zhuǎn)換器的電感器I（L1）和負(fù)載I（R1）上的電流

觀察流過電感的電流的曲線圖也很有趣，這與MOSFET柵極上的脈沖序列相對(duì)應(yīng)（圖5）。所檢查電路的效率約為77％。

圖5：電感上的電流與MOSFET上的脈動(dòng)電壓的關(guān)系圖

噪音和干擾

降壓轉(zhuǎn)換器由于其開關(guān)介質(zhì)頻率和電抗元件的存在，會(huì)產(chǎn)生電噪聲，并且在某些情況下，可以像實(shí)際的無線電設(shè)備一樣在附近傳輸電信號(hào)。該電路產(chǎn)生的許多振蕩具有比MOSFET的正常開關(guān)頻率高得多的頻率。讓我們看一下圖6中的圖形。它測量在二極管陰極處的初始時(shí)間和1 ms之間的瞬態(tài)電壓。換句話說，這是MOSFET的“源極”輸出處的電壓。該圖將該電壓與流過電感器L1的電流相關(guān)聯(lián)。當(dāng)電流達(dá)到其平均值時(shí)，高頻噪聲結(jié)束。

圖6：降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)在高頻下產(chǎn)生電噪聲。

噪聲的頻率約為420 kHz。在圖7中，我們可以觀察到LC濾波器之前MOSFET的輸出處的頻譜圖。在其中，我們可以看到20 kHz的開關(guān)信號(hào)，故意高于人類的聽力閾值。

圖7：MOSFET源極處的頻譜圖

IC降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

有許多實(shí)現(xiàn)整個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的集成電路。其中之一就是Analog Devices的LTC1707型號(hào)。它是使用固定頻率架構(gòu)的高效單片電流模式同步降壓穩(wěn)壓器。工作電源范圍為8.5 V至2.85 V，非常適合單節(jié)和雙節(jié)鋰離子電池供電的應(yīng)用。突發(fā)模式操作可在低負(fù)載電流下提供高效率。100％的占空比提供了低壓差操作，從而延長了電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。開關(guān)頻率在內(nèi)部設(shè)置為350 kHz，從而允許使用小型表面貼裝電感器。對(duì)于噪聲敏感的應(yīng)用，它可以外部同步至550 kHz。圖8顯示了LTC1707和3.3V輸出在30負(fù)載下的應(yīng)用。

圖8：LTC1707降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

在該示例中，負(fù)載耗散的功率為0.355813 W，電池產(chǎn)生的功率為0.371479W。其他組件損失的功率為0.01566W。在這些條件下，采用LTC1707的buck轉(zhuǎn)換器的效率為95.78。 ％。效率不是固定的，而是根據(jù)電路的輸入電壓和負(fù)載而變化的，如下表（表1）所示。

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