Buck拓扑起源之电感(二)

原创 凡亿PCB 2022-08-09 07:30

首先解决上回的疑问,怎么操作才能降低di/dt,是不是在开关关断期间建立一个回路,那建立回路我们加一个电阻试试看怎么样,如图一示有了回路,电流降低到零的时间dt就增大了,那di/dt就小多了,这个回路称为续流回路

(▲图一)

(▲图二)

我们看一下这个续流回路当开关ON期间,回路是什么样的,当开关ON时,回路如图二示,有两个回路电阻这一个回路会消耗能量,而且降低开关电源的效率,我们希望开关ON期间只有一个回路通过电感,给电容充电即可,来看一下开关OFF期间,如图三示此时续流开始,源是电感,电感作为电流源存在,在续流期间,从电感右端出发通过电容到地经过电阻回到电感的左端,这个过程中电阻同样在消耗能量,而且有电流流过电阻就会有压降,同样会在电感左端产生一个不小的负压,这并不是我们想要的结果。

综合开关ON和OFF期间的需求来说,我们希望在ON期间只有一条回路通过电感给电容充电,电感左端对地不能导通,而且电阻会增加功耗是不可取的,在OFF期间续流回路产生我们需要电感左端的负压要低,此时结论已出,单向导通嘛,那二级管就呼之欲出了,单向导通又能钳位负压一举两得,非它莫属,那我们看一下加入续流二极管的电路图,如图四所示。

(▲图三)

(▲图四)

继续分析续流回路,看图五示在开关OFF期间产生续流回路,会电感上感应出一个左负右正的感应电动势,根据续流回路分析电感右端接电容正极,电压等于电容上电压,电流从电感的正极流过电容到地经过二极管回到电感负极,地上电压为0V,那二极管要想导通,电感负端电压是不是等于-0.7V如图六示,那开关管两端的压降是多少?是不是Vbus+0.7V,那二极管的耐压在此基础上在放一点余量就可以了,贴片二极管也有耐高压的不一定非要使用插件二极管在使用贴片二极管时,画封装时候在贴片二极管下方开槽即可,目的是为了爬电距离和高湿环境下的安全。

(▲图五)

(▲图六)


那二极管的具体选型该怎么考虑呢?

假设输入电压为+100V,二极管耐压在+100V的基础上放30%---50%的余量就可以了,一般情况下选择耐压150V、200V的都可以,并不是耐压高的管子价格就一定高,管子的价格和库存出货量都有关系,出货量大的管子价格肯定会低,如果此时有耐压150V出货量低,有耐压200V出货量大的,那果断选择耐压高的这一款,具体出货量以及库存量需要和厂家沟通一下,不要在百度上直接搜索一个型号到时间买的时候找不到对应型号或者说已经停产了,一定要和厂家沟通确认,二极管的耐流量放到实际设计输出电流的20%就好。


分析BUCK电路中最神秘且重要的灵魂器件---电感

如图七示,俗话说:理解了电感的工作原理就理解了80%的BUCK电路,可见电感在BUCK电路中是多么重要,自感电动势的大小与电流变化率是成正比的,di/dt为单位时间内电流的变化率,电流从无到有与从有到无的瞬间变化率都是非常大的,在电路正常情况下电感的自感电动势感应出的电压是不会超过Vbus电压的,而且最大感应电流也是与实际电流方向相反的一个电流,用来阻止电流的变化。

(▲图七)

(▲图八)

当开关为ON时,开关闭合瞬间电感上的电流从零到有,会产生一个极大的di/dt,而这个极大的di/dt会在电源两端感应出一个接近Vbus的感应电压进而产生感应电流感应电流方向与输出电流方向相反,用来阻碍电流增大,随着时间推移,电感上的电流在缓慢的上升,电感电流的变化率di/dt在逐步减小,而电感两端的感应电动势也在逐步降低,且有电阻与电感分压可知随着电感电流的增大,电阻两端电压逐渐接近电源电压,电感两端压降逐渐降低直到为零电感进入饱和状态。

电感上电流上升下降波形示意图如图九示,当R=0Ω时来看一这个电路的等效电路如图八示,当开关闭合后,在电感上会感应出一个上正下负的感应电动势,忽略开关上的压降,感应电压等于Vbus一直不变,由电感电压公式U=L*di/dt,di/dt是一个固定的数值,也就是说电流上升斜率不变,电感的电流以相同的斜率递增,用来维持感应电压等于外部输入电压Vbus.

(▲图九)


也可以从公式角度进行分析:

di/dt::是电流斜率,Vin=Vbus电压,输入电压不会改变,电感L的值也不会改变,所以当R=0时,电感电流斜率不变,那电感两端电流的公式为:di/dt=VL/L ,VL:感应电压,L:电感量。

总结:感应电动势越高,电感电流的上升或者下降斜率就越大,感应电压等于输入电压时,斜率不变。


BUCK的拓扑图如图十示继续分析,之前介绍过说需要一个开关开通和关断电流用来使电感电流不会饱和,那这个开关肯定不能使用机械按键吧,不能使用开关电源时候需要调整的时候手动切换开关啊,这不现实,所以这里需要使用电子开关进行控制,能做开关的电子器件有什么呢?是不是三极管、MOSFET、IGBT都可以使用,具体使用哪一种我们后面在继续分析,那确认这里需要使用电子开关,我们是不是需要使用PWM波进行控制电子开关管的通断。

(▲图十)

假设现在我们有一个占空比为50%的方波,Ton=Toff,Ton为一个周期内高电平所占时间,Toff为一个周期内低电平所占时间,这里我们假设Ton=Toff那我们看一下电感上的电流波形如图十一示,每个周期中电感电流上升量等于电流下降量,这样电感才能达到平衡,如果电感电流上升量大于下降量或者下降量大于上升量电感经过多个周期后会饱和,对电流就没有遏制能力了。

(▲图十一)

假设电感饱和电流2A如图十二所示,当电感超过饱和电流后,电感电流会直线上升并损坏电感,只有电感处于平衡状态才是我们想要的,并且是我们设计电感时追求的波形。

(▲图十二)


总结:

①、电感电流的斜率与电感的感应电压有关与电感电流大小无关

②、电感两端的感应电压由Vin与Vout共同决定

③、电感上的平均电流等于负载电流

④、电感上的平均电流位于电感电流波形几何图形的中心

⑤、电感的感应电压与开关动作总是相反

声明:

本文凡亿教育原创文章,转载请注明来源!
投稿/招聘/广告/课程合作/资源置换 请加微信:13237418207

如何测量电源纹波?


家电产品过零信号检测方案总结


扫码添加客服微信,备注“入群”拉您进凡亿教育官方专属技术微信群,与众位电子技术大神一起交流技术问题及心得~

分享💬 点赞👍 在看❤️ “三连”支持!
凡亿PCB 分享高速PCB设计、硬件设计、信号仿真、天线射频技术,提供技术交流、资料下载、综合提升电子应用开发能力!创立“凡亿教育”,致力做电子工程师的梦工厂,旨在赋能大学生、初中级电子工程师,倾力打造电子设计精品教育,逐步发展成系统
评论 (0)
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦