BUCK電路分析(二)

PSIM仿真同步BUCK電路

在上片文章中，初步的分析了BUCK電路的工作原理。本章使用PSIM軟件仿真BUCK電路，觀察分析BUCK電路器件關鍵波形。圖1是同步BUCK電路圖，開關頻率設置為200K ，固定占空比。在仿真一段時間、電路工作穩定之后，觀察分析波形。

圖1 同步BUCK電路

圖2 PWM波形

如圖2所示，AMP是斜坡發生器的波形，PWMH是上橋臂MOS Q1的驅動波形，PWML是下橋臂MOS Q2的驅動波形;I(L1)是電感電流波形;可以看到PWMH 和PWML都存在一小段時間同時為低的情況，該時間就是死區時間。 同時可以看到在PWMH為高，PWML為低時，上管MOS Q1 開通，下管Q2截止，電感電流上升;在PWMH為低，PWML為高時，上管MOS Q1 截止，下管Q2開通，電感電流下降。

由于是同步BUCK電路;電流一直是有的，圖中電感電流的平均值大于零，圖中電感電流的波形與異步BUCK電路進入了連續電流模式(CCM)時的波形是一樣的，不同的是由于同步BUCK電路下管是MOS 電流是可以倒流的，所以在同步BUCK電路輕載、空載時，電感電流可以是負的 也就輸出電容流出電流;而在異步BUCK電路中，BUCK電路輕載、空載時 電感電流減少到零之后，二極管截止了 電流就不能倒流，電流就為零，電路進入了不連續電流模式(DCM)，

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圖 3 MOS Q1 電流電壓波形

如圖3所示，I(Q1)是流過MOS Q1 的電流的波形， VQ1是MOS Q1 的 Vds 波形。在PWMH為高，PWML為低時，上管MOS Q1 開通，下管Q2截止，電感電流上升;流過MOS Q1 的電流也是上升的。I(Q1)的波形可以看作是電感電流波形的一部分。一般情況，BUCK電路采用峰值電流控制模式時，需要采樣上管MOS Q1的電流 也就是 I(Q1);可通過電流互感器來采樣。在PWMH為高，PWML為低時，上管MOS Q1 開通，MOS的Vds電壓下降 如波形VQ1所示。

圖4 下管 MOS Q2 電壓、 電流波形

如圖4所示，I(Q2)是流過MOS Q2 的電流的波形， VQ2是MOS Q2 的 Vds 波形。需要特別注意的是，圖中顯示的I(Q2)電流波形與教科書或者其他資料流過續流二極管的波形有所不同，這是因為電流參考方向不同引起的。將圖中的波形沿著X軸上翻 就得到了書本中的波形。同時如果要采樣下管的電流波形也需要注意電流方向的問題。

圖5 電感L 電流、電壓波形

如圖5所示、I(L1)是電感電流波形;VL是電感兩端的電壓波形;Vout是輸出電壓波形，從波形可以看到 輸出電壓是18.9V左右，波形包含了0.03V峰峰值的紋波。 從波形上看，在PWMH為高，Q1開通時 加在電感上的電壓是約29V，上一章分析了伏秒積平衡，電感電流的增加量需要等于減少量。通過電感電壓波形也是可以驗證的。

在PWMH為低，Q2開通，Q1截止了時，加在電感上的電壓是輸出電容的電壓：

通過波形可以計算 在PWMH為高是與PWMH為低時，電感電壓波與時間軸圍成的面積，是相等的。也即伏秒積相等。

圖 6

圖 7 輸出電容 的電流波形

如圖7所示，I(C2) 是輸出電容的電流波形。在電感電流上升期間 ，有電流入輸出電容為電容充電。

PSIM仿真異步BUCK電路

圖8 異步BUCK電路

如圖 8所示，為異步BUCK電路圖，與同步BUCK電路的不同在于，異步BUCK電路使用功率二極管D1 作為續流二極管。開關頻率設置為200K ，固定占空比。 以下將觀察分析異步BUCK電路的波形并對比同步BUCK電路的波形、了解其不同之處。

圖9 異步BUCK電路 電流連續模式下的波形

圖9所示，AMP是斜坡發生器的波形，PWMH是上橋臂MOS Q1的驅動波形，I(L1)是電感電流波形; I(Q1)是 MOS Q1的電流波形;對比圖2可以看出，在電感電流不過零的情況下;同步BUCK電路與異步BUCK電路的 電感電流波形 和 MOS Q1的電流波是相同的。

圖10 異步BUCK電路 電流連續模式下的波形

如圖10所示，I(D1) 是續流二極管的電流波形。對比圖4同步BUCK電路流過下管的電流波形，可以看出。他們的波形是關于X軸對稱的，這是由于電流參考方向不引起的。

圖 11 VQ1 MOS Q1 的Vds 波形

圖 12 VD1 續流二極管電壓波形

圖12 所以 VD1 是續流二極管的電壓波形;在實際電路中測量的續流二極管電壓波形與圖中的波形可能有較大的不同，這是因為序列二極管的結電容以及它寄生電感電容參數引起的。

圖13 異步BUCK電路 輸出電壓波形和輸出電容的電流波形

如圖13所示，Vout為輸出電壓波形 電壓為23.70V左右，并包含有紋波電壓。異步BUCK電路輸出電壓波形與同步BUCK電路 在電感電流不過零的情況下，是相同的。

同步BUCK電路與異步BUCK電路，輕載或者空載之下，電感電流的對比

圖14 異步BUCK電路 不連續電流模式(DCM)波形

如圖14 所示、電感電流I(L1) 在 PWMH為低期間，在下一個周期PWM為高之前;電感電流降低到零;電流不連續，進入DCM工作模式。

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圖15 同步BUCK電路 輕載下 電感電流波形

如圖15所示 同步BUCK電路，在輕載時的電流波形 I(L1); 電流在減小到零之后，電流反相增大;這是因為電感存儲的能量釋放完，電感電流降低到零之后，下一個周期的PWMH高還沒有到來， 下管MOS Q2 還導通著，這時輸出電容就會通過電感 MOS Q2 放電，電流倒流。而在非同步BUCK電路中，電感電流減小到零之后續流二極管截止了;不像同步BUCK電路中MOS Q2那樣電流可以倒流，所以其電感會有一段時間沒有電流流過，電路進入斷續工作模式。在同步BUCK電路中，由于MOS Q2那樣電流可以倒流，在整個周期內電感都是有電流流過的，同步BUCK電路所以是不存在電流斷續的轉態。電流斷續模式(DCM)是針對非同步BUCK電路而言的。

圖16 異步BUCK電路 臨界電流模式(BCM) 電感電流波形

如圖16所示 異步BUCK電路，在輕載時的電流波形 I(L1); 在PWMH為低 MOS Q1 關斷 ，續流二極管D1續流，在電感電流減小到零時時，下一個周期的PWMH高剛好到來，電感再次上升。此時電路就進入了臨界電流模式(BCM)。