降壓轉(zhuǎn)換器3——降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)例

今天繼續(xù)分享介紹降壓轉(zhuǎn)換器的一些知識(shí)。本節(jié)說(shuō)明了前面討論的方程如何用于降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)要求是：

?輸入電壓：VDC = 12V±30％

?輸出電壓：VOUT = 5V

?輸出電流平均值IO nominal = IO, av, nom = 2A

?輸出電流最小平均值（保持CCM模式）IO limit= 0.1 IO,av,nom = 0.2A

?電感電流紋波(I2 - I1)=ΔIL= 2 IO, limit= 0.4A

?開(kāi)關(guān)頻率= 200 kHz

?輸出紋波電壓= 50 mV

?輸入紋波電壓= 200 mV

設(shè)計(jì)過(guò)程

占空比計(jì)算

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在連續(xù)模式下運(yùn)行，因此可計(jì)算占空比如下：

?Dnominal = VOUT / VDC = 5/12 = 0.42。

電感值計(jì)算

在連續(xù)模式下的電感正常值計(jì)算如下式

在最大輸入電壓下將系統(tǒng)處于連續(xù)模式所需的電感值如下式所示：

在最小輸入電壓下系統(tǒng)處于連續(xù)模式下的所需電感值如下式所示：

考慮降壓轉(zhuǎn)換器在最高輸入電壓下處在最惡劣情況下，得到結(jié)論至少42μH的電感將阻止轉(zhuǎn)換器在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)不連續(xù)。

實(shí)際上，如果選擇最小的電感L=26μH，最大輸入電壓（VDC =15.5V）將導(dǎo)致電流紋波I2 - I1 = 0.85A。相反，電感L =42μH，輸入電壓為8.5V，電流紋波為0.17A。這意味著任何大于42μH的電感都適合。

輸出電容

假設(shè)選擇具有ESR =30mΩ的電容，容值計(jì)算如下：

輸入電容

使用相同的方法計(jì)算輸出電容，然后使用下式計(jì)算輸入電容。

續(xù)流二極管選擇

然后計(jì)算TON期間二極管上的最大反向電壓，如下式所示。

計(jì)算二極管中的平均電流，如下式所示。

MOSFET選擇

選擇MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)是平均電流和最大電壓，得到的計(jì)算結(jié)果如下兩式所示。

MOSFET中消耗的功率可以用下式計(jì)算，其中使用VF=1V和Tsw= 100ns（這里假設(shè)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間都為100ns）的典型值。

仿真驗(yàn)證

利用Simplis搭建模型如下：

進(jìn)行瞬態(tài)仿真如下：

POP仿真如下：

從穩(wěn)態(tài)下電感電流波形可知轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式下。

考慮最惡劣情況，即輸入電壓Vin=15.5V下的穩(wěn)態(tài)工作波形如下：

可見(jiàn)系統(tǒng)也還是處在CCM模式下。

總結(jié)一下看看42uH的電感值在不同輸入電壓下的工作波形：

大家其實(shí)可以注意掉其實(shí)在這個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)我們選取的42uH似乎永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入DCM模式，其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們這里選擇的電感電流紋波系數(shù)其實(shí)偏小，而且是在滿載下仿真的。

大家可以嘗試修改電感電流紋波系數(shù)以及修改輸出負(fù)載電流設(shè)置然后再看看我們選取電感值的方法是否正確。

前面討論的其實(shí)都還是很基礎(chǔ)的，還有很多高級(jí)話題我自己也在學(xué)習(xí)當(dāng)中。關(guān)于降壓轉(zhuǎn)換器的控制策略以及環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，我們后面再詳細(xì)討論。