降壓轉換電路的工作原理及設計步驟

大家好，我是李工，創作不易，希望大家多多支持我。今天給大家分享的是降壓轉換電路設計。主要是關于：降壓轉換電路工作原理、降壓轉換電路設計、降壓轉換電路設計步驟。

降壓轉換器是一種電壓輸出低于電壓輸入的開關轉換器，也被稱為降壓開關轉換器。降壓轉換器只有 4 個部分，主要是開關(Q1)、二極管(D1)、電感(L1)和電容濾波器(C1)。輸入電壓Vin必須高于輸出電壓 Vout 才能成為降壓轉換器。

降壓轉換電路降壓轉換器用作電壓調節器，同時利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導體部件的開關動作。Q1 會不斷開關，D1 充當續流二極管，L1 將充電和放電，而 C1 將存儲能量。降壓穩壓器是一種低損耗穩壓器，如果設計得當，效率可達 90% 以上。

降壓轉換電路工作原理

二、降壓轉換器設計

降壓轉換器通過連續打開和關閉 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導體開關來工作。開關的開啟和關閉由占空比決定。降壓轉換器的理想占空比很簡單：占空比 = VOUT / VIN1、降壓轉換器基本功能– PWM 為高電平當 PWM 處于高電平狀態時，Q1 將在飽和狀態下導通(電壓降非常低)。D1 將被反向偏置并且不參與電流環路。電流將從 VIN 流向 Q1 的通道，然后為 L1 充電，一部分為 C1 充電，最后主電流路徑將流向負載。

降壓轉換器此時，L1 將充電，點側將處于較高的電位，L1 的電流將線性上升。2、降壓轉換器基本操作– PWM 為低電平當 PWM 為低電平時，Q1 將關閉，不再是電流環路的一部分。電感 L1 的點側將變為負電位，因為 L1 將反轉極性但保持相同的電流方向。電流路徑將從 D1 到此時正在放電的 L1，然后到負載。此時，C1 能量也將有助于提供負載的需要。

降壓轉換器

三、降壓轉換電路設計教程-各元器件取值

1、電感紋波電流

2、占空比

3、電感 RMS 電流

4、電感直流電流推導

5、開關 RMS 電流導數

6、開關直流電流導數

7、二極管 RMS 電流推導

8、二極管直流電流推導

9、開關和二極管電壓推導

10、開關功率損耗推導

11、開關散熱注意事項

12、二極管功率損耗推導

13、二極管散熱注意事項

14、電感功率損耗推導

15、電容紋波電流推導

16、效率方程推導

17、電路實例

1、電感紋波電流要導出電感電流方程，了解其波形很重要。順便說一下，降壓轉換器可分為 CCM、TM 或 DCM。CCM 代表連續導通模式，而 TM 代表過渡模式或有時稱為邊界模式。另一方面，DCM 代表不連續導通模式。CCM 和 TM 具有相同的分析，而 DCM 需要不同的分析。對于高功率應用，不太可能有意在 DCM 模式下運行降壓轉換器。這將導致非常高的損失并且不切實際。但是，降壓轉換器有時會進入 DCM 模式，此時負載很輕。因此，設計點或組件選擇將基于重載，這主要是在 CCM。因此，在這個推導中，我們將考慮 CCM 操作。下面的綠色是電感在 CCM 下工作的電流波形。當 PWM 信號為高電平時，它線性上升。然后，當 PWM 信號為低電平時，它會線性減小。

降壓轉換器有時會進入 DCM 模式當 PWM 為高電平時，分析將是：

降壓轉換電路要使用的關鍵方程是電感兩端的電壓，即：VL = LX di / dt

電感紋波電流計算公式當PWM為低電平時，分析為：

降壓轉換電路

di_Ton 和 di_Toff 都會給出相同的結果。2、占空比推導如果你檢查電感電流波形，則上升和下降幅度相同。因此，上面的兩個方程 di_Ton 和 di_Toff 都可以相等，我們得出了最終的占空比。

占空比公式3、電感 RMS電流推導我們將從以下波形中的電感 RMS 電流開始，即 di 和 Imin 的 RMS 之和。

降壓轉換電路

電感 RMS電流推導公式4、電感直流電流推導下一個降壓轉換器電感設計公式將針對直流電流。但是，如果你仔細觀察降壓轉換器原理圖，就會發現電感器與輸出負載串聯。因此，電感電流的直流電平與負載的直流電平相同。5、開關 RMS 電流推導降壓轉換器上的開關可以是 BJT、MOSFET 或 IGBT。這里使用 MOSFET，因為它是中低功率應用中最流行的一種。MOSFET 的電流波形如下所示。

MOSFET 的電流波形Q1 的 RMS 電流是面積 A1 和 A2 的 RMS 之和。A1是三角形，A2是矩形。1)A1 區域的 RMS

A1 區域的 RMS公式2)A2 區域的 RMS

A2 區域的 RMS公式因此，開關電流的 RMS 為

開關電流的 RMS簡化后消除 Imax：

開關電流的 RMS 公式6、開關直流電流推導MOSFET 的 RMS 電流始終高于 DC 電流，它是用于計算功耗以獲得最壞情況的值。然而，無論出于何種原因，設計師都可能需要 DC 電平。因此，讓我們將其包含在此降壓轉換器設計教程中。總直流電平也是上述波形中 A1 和 A2 的直流電平之和。

重寫方程以排除 Imax

7、降壓轉換器設計教程——二極管 RMS 電流推導參考下面的波形，我們可以計算出二極管的 RMS 電流。只有當 MOSFET 不導通時，二極管才會導通。

MOSFET波形圖

二極管 RMS 電流公式

二極管 RMS 電流公式8、二極管直流電流推導繼續使用上述波形來確定二極管的直流電流：

二極管直流電流公式9、開關和二極管電壓推導

降壓轉換電路VQ1 最大值 = VIN 最大值 + VSpikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假設為 VIN 的 40-70%。VD1 最大值 = VIN 最大值 + VspikeVspike 是由寄生電感引起的，可以假定為 VIN 的 50-120%。10、降壓轉換器設計教程——開關功率損耗推導開關功率損耗由兩個因素組成。一是導通損耗，二是開關損耗。傳導損耗是由于開關上的固定電壓降引起的，而開關損耗是由于開關的開關動作引起的。這里使用 MOSFET，因此，貝洛方程適用于 MOSFET。1)傳導損耗

傳導損耗公式2)開關損耗

開關損耗公式3)總 MOSFET 功率損耗

總 MOSFET 功率損耗公式11、開關電源應力和散熱注意事項開關的功率應力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(開關未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結溫

Tamax – 最高工作環境溫度

Rthjc – 結到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(開關安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻，這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻，這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax12、二極管功率損耗推導損耗二極管 = Irms X VF13、二極管功率應力和散熱注意事項二極管的功率應力只是實際功耗除以功率容量。Pstress = Pdissipation 實際 / Pdissipation 能力對于沒有散熱器(二極管未安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tamax) / Rthjc

Tjmax – 器件的最高結溫

Tamax – 最高工作環境溫度

Rthjc – 結到外殼的熱阻

如果需要計算器件的實際結溫，可以按如下方式進行：Tjactual = (Pdissipation capacity X Rthjc) + Tamax對于帶散熱器(二極管安裝在散熱器上)：耗散能力 = (Tjmax – Tcmax) / (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)

Tjmax – 器件的最高結溫

Tcmax – 最大允許外殼溫度

Rthjc – 結到外殼的熱阻

Rthchs – 從外殼到散熱器的熱阻。這是連接散熱器和外殼的材料的熱阻。

Rthhsa – 從散熱器到空氣的熱阻。這實際上是所用散熱器的熱阻。

實際器件結溫可計算為：Tjactual = [Pdissipation 能力 X (Rthjc + Rthchs +Rthhsa)] + Tcmax14、電感功率損耗推導電感的功率損耗由兩部分組成：直流損耗和交流損耗。在低開關頻率和低功率下，AC 損耗很小，因此根本不包括在計算中。但是對于非常高的開關頻率，你可以假設開關損耗與直流損耗幾乎相同。直流損耗有時也稱為銅損，而開關損耗也稱為磁芯損耗。

電感功率損耗公式15、輸出電容選擇下面的輸出電容 (C1) 計算是通用的。但是，特定控制器可能有自己的公式來推導出輸出電容的值，因為這與環路補償有關。考慮到沒有 ESR 的影響，可以使用下面的公式來確定輸出電容的大小。C1 = di / (Fsw X Vripple)電解電容的ESR很大，分析時需要考慮。上面計算的電容應具有不高于下式的 ESR。ESR = Vripple / di

ESR——等效串聯電阻

di – 電感紋波電流

Fsw——開關頻率

Vripple – 允許的輸出紋波電壓

紋波電流所選輸出電容的紋波電流額定值應高于以下公式的結果。