本文將詳細分析降壓 DC/DC 電壓轉換器的工作原理。使用 SPICE 仿真，我們將研究輸出電壓穩(wěn)定、電壓紋波以及電感器和負載電流。

之前提供了開關模式電壓調(diào)節(jié)的高級概念概述。電路一點通想在理論處理之后使用 LTSpice （ADI旗下一款免費的SPICE類仿真軟件）來徹底檢查電流和電壓行為，以模擬開關模式降壓轉換器。

降壓轉換器設計

我們將使用的電路如圖 1 的原理圖所示。這稱為降壓或降壓轉換器。

圖 1.?Buck（降壓）轉換器仿真原理圖

降壓或降壓轉換器可用于完成電源管理電路的常見任務：將標準系統(tǒng)級電壓（例如 12 或 28 V）降低至適合低功耗的 5 或 3.3 V 電源軌。電壓電子設備。

說“幫助”是因為圖 1 的拓撲只是開關模式穩(wěn)壓器的功率級。它不是一個完整的調(diào)節(jié)器，因為它缺乏反饋，因此無法鎖定指定的輸出電壓。

降壓轉換器原理圖和仿真詳細信息

在我們深入模擬和分析之前，讓我們先討論一下這個 LTspice 原理圖的一些不太容易解釋的方面：

電源開關型號

開關頻率和占空比

在輸入端使用理想電壓源的含義之一

電感和電容值的選擇

電源開關模型

物理轉換器電路中的功率開關通常是場效應晶體管。在此模擬電路中，使用電壓控制開關，其規(guī)格由 .model MYSW SW(...) 語句確定。開關特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通態(tài)電阻

1 MΩ 斷態(tài)電阻

閾值電壓位于 VSWITCH 生成的邏輯低 (0 V) 和邏輯高 (5 V) 電平的中間。

開關頻率和占空比

VSWITCH 產(chǎn)生用于打開和關閉開關的矩形波。使用 .param 語句，定義了各種參數(shù)，使我能夠輕松控制關鍵切換特性。我指定振蕩器頻率和占空比，這是我的大腦直觀思考電路行為所需的值。這些用于計算周期和時間，這是 LTspice 的 PULSE 函數(shù)所需的值。

在輸入端使用理想電壓源進行仿真

輸出電容器是轉換器操作不可或缺的一部分，因此在模擬電路和物理電路中都是必需的。物理電路還需要一個輸入電容器，其關鍵目的是降低源阻抗，從而使轉換器能夠更平穩(wěn)地從輸入電源汲取強烈的突發(fā)電流。由于 SPICE 實現(xiàn)中的輸入電源具有零串聯(lián)阻抗，因此不需要輸入電容器。

電感和電容值的選擇

圖 1 中所示的電感 (100 μH) 和電容 (1 μF) 值是我使用本 TI 應用筆記中的公式計算得出的合理起點。我們將在以后的文章中探討電容器和電感器值的影響。

降壓轉換器仿真

我們首先運行一個占空比為 50%、負載電阻為 1 kΩ 的仿真。圖 2 是輸出電壓隨時間變化的圖。請注意，輸出電壓需要一些時間才能達到其穩(wěn)態(tài)值。

圖 2.降壓轉換器輸出電壓穩(wěn)定。

開關模式轉換器，包括我們稱為電荷泵的基于電容器的開關器，具有與輸出電容器充電所需的時間相對應的啟動延遲。這種情況幾乎發(fā)生在任何電路中，因為某處總有一些電容需要充電。

然而，對于開關來說，啟動時間可能會相當長，因為充電電流受到開關動作的限制，并且要充電的電容量相對較大。

占空比對降壓轉換器輸出電壓的影響

如圖2所示，輸入電壓為12V時，穩(wěn)態(tài)輸出電壓約為10.5V。占空比為50%，那么為什么輸出電壓遠高于輸入電壓的50%呢？

濾波電壓的幅度直接對應于 PWM 波形的占空比。

圖 3.直流電壓電平與 PWM 占空比的函數(shù)關系。

然而，該圖僅描述了對 PWM 波形進行濾波的效果。而在開關模式轉換器中，PWM 占空比只是影響 V?IN與 V?OUT比率的眾多因素之一?？梢詫⒄伎毡缺３衷?50%，并通過修改電感值、負載電阻值或開關頻率來顯著改變輸出電壓。

這個討論很好地提醒我們，占空比并不是生成特定的固定輸出電壓的一種手段。相反，開關模式穩(wěn)壓器通過調(diào)整占空比來實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓，作為負反饋實現(xiàn)的閉環(huán)控制方案的一部分。

因此，我們不能僅將占空比設置為 50%，并假設 V?OUT?= 6 V，V?IN?= 12 V。無論如何，我們都不想圍繞恒定輸入構建穩(wěn)壓器電壓。我們更愿意設計一種能夠抵抗意外輸入變化并易于集成到可能具有不同輸入電壓的新應用中的穩(wěn)壓器。

在結束本節(jié)之前，電路一點通想簡要提及 PWM 并不是執(zhí)行開關模式調(diào)節(jié)的唯一方法。盡管不太常見，但脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 在某些應用中是首選，因為它可以在輕負載條件下提供更高的效率。

降壓轉換器電感電流

我們將以圖 4 的圖來結束，該圖顯示了電感器電流相對于開關控制電壓和輸出電流的關系。

圖 4.降壓轉換器開關電壓（頂部）、電感器電流（綠色底部）和負載電流（紅色底部）。

開關控制電壓圖表達了開關的狀態(tài)：當開關控制信號為邏輯低電平時開關打開，當信號為邏輯高電平時開關關閉。根據(jù)開關模式調(diào)節(jié)的基本原理，開關始終被驅(qū)動為完全導通或完全關斷，這意味著它要么自由通過電流，要么完全阻止電流。

未經(jīng)修改，這種開/關電流無法正確為電子電路供電，但電感器電流圖顯示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效應。通過電感器的電流不能瞬時變化，降壓轉換器的拓撲允許電感器將開/關電流轉換為斜坡上升/斜坡下降電流。如光標虛線所示，當開關導通時，電感器電流開始斜坡上升，當開關關閉時，電感器電流開始斜坡下降。

對于電源目的而言，僅電感器電流就會產(chǎn)生太多紋波。然而，電感器與輸出電容器一起工作，提供足夠的濾波，以實現(xiàn)您在圖中看到的穩(wěn)定、低紋波負載電流。請注意，負載電流是電感電流的平均值。

Buck轉換器的應用

降壓轉換器通常用于電源管理系統(tǒng)，以生成現(xiàn)代電子產(chǎn)品中使用的較低直流電壓。我們使用 LTspice 研究了開關模式直流電壓轉換器操作的一些關鍵方面。

希望了解這個簡化原理圖的基本操作將有助于您的電路設計工作。

審核編輯：湯梓紅