降壓轉換器

降壓或降壓轉換器是一種廣泛使用的DC / DC開關穩壓器。制造商通過其控制器提供降壓集成電路。降壓DC / DC轉換器是一種能夠將輸入電壓轉換為低于輸入電壓（降壓，VOUT

VL1（on）= VIN– VOUT

當M1處于“關閉”狀態且二極管導通時，在第一階段，電感上的電壓為：

VL1（關）= –VOUT

電氣方案

讓我們看一下圖1中的接線圖。它是一個具有以下特性的降壓轉換器：

• 電源：50 VDC
• 開關元件：頻率為20 kHz的IRF530
• 電感：400 uH
• 電容：100 μF
• 負載：30Ω

圖1：降壓轉換器的電氣原理圖

模擬

讓我們開始進行降壓轉換器的研究，首先進行觀察以下參數的仿真：

• 電路的輸入電壓
• 負載上的輸出電壓
• 允許切換狀態的脈沖平方電壓

模擬持續2 ms，因此您可以觀察40個振蕩周期。在圖2中，我們可以看到三個軌跡：

綠色跡線顯示50 V電路電源電壓（VCC）。

青色跡線顯示了45V的脈沖串，可以打開和關閉MOSFET（Vgate）。

紅色軌跡顯示了30Ω負載（VOUT）上的電路輸出端的20V電壓。

圖2：在此仿真圖中，我們可以觀察到輸入電壓，輸出電壓和開關信號。

根據此電路中使用的組件的電流值，我們可以注意到一些情況：

20 VDC的輸出信號在經過1 ms的瞬變后會穩定下來，在0.2 ms時出現35 VDC的峰值（圖3a）。設計人員必須評估此初始電壓升高，以避免損壞器件。

輸出信號受0.8V紋波影響（圖3b）。可以通過增加電容器C1的電容來減小或消除它。故意將電容器的值選擇得較低，以更好地突出紋波。

圖3：輸出信號的初始峰值（a）及其紋波（b）

電感上的電流

電感上的平均電流大約等于輸出電流。在“導通”階段，MOSFET中的電流將等于電感器中的平均電流加上一個紋波。反之亦然，在“關斷”階段，在D1中循環的電流將等于電感器中的平均電流與電流紋波的總和（圖4）。在我們的示例中，電流約為700 mA。

圖4：降壓轉換器的電感器I（L1）和負載I（R1）上的電流

觀察流過電感的電流的曲線圖也很有趣，這與MOSFET柵極上的脈沖序列相對應（圖5）。所檢查電路的效率約為77％。

圖5：電感上的電流與MOSFET上的脈動電壓的關系圖

噪音和干擾

降壓轉換器由于其開關介質頻率和電抗元件的存在，會產生電噪聲，并且在某些情況下，可以像實際的無線電設備一樣在附近傳輸電信號。該電路產生的許多振蕩具有比MOSFET的正常開關頻率高得多的頻率。讓我們看一下圖6中的圖形。它測量在二極管陰極處的初始時間和1 ms之間的瞬態電壓。換句話說，這是MOSFET的“源極”輸出處的電壓。該圖將該電壓與流過電感器L1的電流相關聯。當電流達到其平均值時，高頻噪聲結束。

圖6：降壓轉換器會在高頻下產生電噪聲。

噪聲的頻率約為420 kHz。在圖7中，我們可以觀察到LC濾波器之前MOSFET的輸出處的頻譜圖。在其中，我們可以看到20 kHz的開關信號，故意高于人類的聽力閾值。

圖7：MOSFET源極處的頻譜圖

IC降壓開關穩壓器

有許多實現整個降壓轉換器系統的集成電路。其中之一就是Analog Devices的LTC1707型號。它是使用固定頻率架構的高效單片電流模式同步降壓穩壓器。工作電源范圍為8.5 V至2.85 V，非常適合單節和雙節鋰離子電池供電的應用。突發模式操作可在低負載電流下提供高效率。100％的占空比提供了低壓差操作，從而延長了電池供電系統的工作時間。開關頻率在內部設置為350 kHz，從而允許使用小型表面貼裝電感器。對于噪聲敏感的應用，它可以外部同步至550 kHz。圖8顯示了LTC1707和3.3V輸出在30負載下的應用。

圖8：LTC1707降壓型開關穩壓器

在該示例中，負載耗散的功率為0.355813 W，電池產生的功率為0.371479W。其他組件損失的功率為0.01566W。在這些條件下，采用LTC1707的buck轉換器的效率為95.78。 ％。效率不是固定的，而是根據電路的輸入電壓和負載而變化的，如下表（表1）所示。

編輯：hfy