基于同步整流技術(shù)的Buck開關(guān)電源設(shè)計方法

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目錄

基于同步整流技術(shù)的Buck開關(guān)電源設(shè)計方法

?摘要

?0 引言

?1 原理分析

?3 實驗測試與仿真

4 總結(jié)

?摘要

B u c k 變換器作為一種基本的開關(guān)電源變換器，在電力變換場合具有廣泛的應(yīng)用。 為解決 B u c k 變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，續(xù)流二極管關(guān)斷時存在較大的反向電流過沖問題，采用了同步整流技術(shù)。用M OS管代替續(xù)流二極管，通過控制電路輸出 180 °互補的 PWM 波來驅(qū)動開關(guān) MOS 管和續(xù)流 MOS 管，消除了續(xù)流結(jié)束時的反向尖峰電流，提高 Buck 變換器的效率，減小開關(guān) MOS 管的電應(yīng)力，降低整個設(shè)備的電磁干擾，提高變換器運行可行性。 分析帶有同步整流技術(shù)的 B uc k 變換器工作原理，對其進行電路仿真，仿真結(jié)果驗證整個變換器具有可行性與實用性。

關(guān)鍵詞 ：Buck ；續(xù)流二極管 ；尖峰電流 ；同步整流

?0 引言

Buck 變換器是一種基本的開關(guān)電源變換器，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、體積小等特點在中小功率場合得到了廣泛的應(yīng)用。Buck 變換器的續(xù)流二極管在開關(guān) MOS 管關(guān)斷時進行續(xù)流，而續(xù)流二極管的損耗在一定程度上影響了Buck變換器的效率。在電感電流連續(xù)的情況下，續(xù)流二極管的關(guān)斷電流尖峰使濾波器和開關(guān)管的電應(yīng)力增大，從而增大了變換器的體積和經(jīng)濟成本。分析 Buck變換器的工作原理， 尋求新的續(xù)流方法，在優(yōu)化 Buck變換器的結(jié)構(gòu)， 降低經(jīng)濟成本方面起著重大作用。

?1 原理分析

Buck 變換器結(jié)構(gòu)簡單，主電路由開關(guān) MOS 管、續(xù)流二極管和 LC 低通濾波器組成，其電路結(jié)構(gòu)原理如圖 1 所示。開關(guān) MOS 管由 PWM 驅(qū)動，當(dāng)開關(guān) MOS 管導(dǎo)通時，續(xù)流二極管 D 截止，當(dāng)開關(guān) MOS 管截止時，續(xù)流二極管續(xù)流導(dǎo)通。

1. 1?基本工作原理

假設(shè)電路中所有開關(guān)元件為理想元器件， 輸出濾波電容 C2 足夠大，濾波電感 L 感值足夠大，以電感電流連續(xù)為例進行分析，各主要元器件電壓和電流波形如圖 2 所示 。

在 0-ton 時間段內(nèi)，開關(guān) MOS 管導(dǎo)通，續(xù) 流二極管截止，流過開關(guān) MOS 管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動主要由開關(guān) MOS 管的波動決定，變換器的損耗主要組成成分為開關(guān) MOS 管的開關(guān)損耗 [5]。電感兩端承受電壓為 Vin-Vo，電感電流線性增加。

?在 ton-T 時間段內(nèi)，開關(guān) MOS 管截止，續(xù)流二極管導(dǎo)通，流過續(xù)流二極管的電流即為電感電流。濾波電感的電流波動主要由續(xù)流二極管的波動決定，變換器的損耗主要組成成分為續(xù)流二極管的開關(guān)損耗 [5]。電感兩端承受電壓為反向的Vo，電感電流線性減小。

?如上可知，電感電流紋波主要由開關(guān) MOS 管的波動和續(xù)流二極管的波動引起，整個變換器的主要損耗為開關(guān) MOS 管的損耗和續(xù)流二 極管的損耗。由于開關(guān) MOS 管一般內(nèi)阻較小，遠小于續(xù)流二極管的損耗，因此需要對續(xù)流二極管續(xù)流過程中存在的問題進行探討和改善。

1.2?設(shè)計過程中的問題

對續(xù)流二極管的關(guān)斷過程進行分析，其在關(guān)斷過程中存在著電流反向的過程，關(guān)段過程中的電壓電流如圖 3 所示。 圖 3 中，IF 為流過二極管的電流，UF 為二極管兩端電壓，UR 為加在二極管兩端的反向電 壓。由圖 3 可知，二極管關(guān)斷過程中電流在 t1 時刻先反向，隨之電壓在 t3 時刻反向，且電流 在 t4 時刻有較大反向電流，在最后時刻才諧振至零。

?根據(jù)續(xù)流二極管的動態(tài)特性和 Buck 變換器的工作原理，存在以下問題 ：

1）由圖 3 中的動態(tài)過程可知，二極管關(guān)斷過程中存在電壓和電流同時不為零的情況，加上續(xù)流二極管導(dǎo)通時的損耗，整個二極管在續(xù) 流過程中存在著較大損耗，影響 Buck 變換器

?的效率。

1. 電感電流連續(xù)時，續(xù)流二極管存在較大反向電流過沖，此電流過沖由開關(guān) MOS 管提供， 因此開關(guān) MOS 管需要瞬間提供一個較大的尖峰電流。尖峰電流在增大了開關(guān) MOS 管的電 應(yīng)力同時，也易使開關(guān) MOS 管損壞。

3）尖峰電流較大，維持時間較短，較大的di dt ，將會對周圍的原件產(chǎn)生電磁干擾，增大設(shè)備噪聲，降低 Buck 變換器可靠性。

?同步整流技術(shù)為提高 Buck 變換器的效率，減小開關(guān)管的電應(yīng)力，減少濾波器的體積，優(yōu)化 Buck 變 換器的性能，需要對續(xù)流部分進行優(yōu)化。由于 開關(guān) MOS 管的損耗較小，因此采用同步整流 技術(shù)，用另一路開關(guān) MOS 管代替續(xù)流二極管 進行續(xù)流，電路原理如圖 4 所示。

?采用 SG3525 為控制芯片，輸出兩路相位差為 180 °互補的 PWM 波，經(jīng)過以 IR2110 為核心的自舉電路后，分別驅(qū)動開關(guān) MOS 管 Q1 和續(xù)流 MOS 管 Q2。兩路互補的 PWM 波如圖 5 所示。

?在 0-ton 時間段內(nèi)，驅(qū)動 PWM 波控制開關(guān) MOS 管導(dǎo)通，續(xù)流 MOS 管截止，流過開關(guān) MOS 管的電流即為電感電流。在 ton-T 時間段內(nèi)，驅(qū)動 PWM 波控制開關(guān) MOS 管截止，續(xù)流 MOS管導(dǎo)通，流過續(xù)流 MOS 管的電流即為電感電流。運用 MOS 管代替了二極管續(xù)流， 具有以下方面的優(yōu)勢 ：

1. MOS 管特性穩(wěn)定，相對于二極管而言 內(nèi)阻較小，在工作過程中開關(guān)損耗比二極管更 小，減小了變換器的損耗，對 Buck 變換器效 率的提高具有重大意義。
2. MOS 管在關(guān)斷過程中不需要電流，在 電感電流連續(xù)時，用 MOS 管代替續(xù)流二極管 避免了續(xù)流結(jié)束時存在著較大反向電流過沖， 減小電流的突變程度，抑制電磁干擾，確保設(shè) 備工作可靠性。
3. 抑制尖峰電流產(chǎn)生，降低開關(guān) MOS 管 的電應(yīng)力，同時減小濾波電感紋波，對優(yōu)化變換器體積與器件的選型上具有較大作用，降低變換器成本。

?2 實驗測試與仿真

Buck 變換器工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)時， 在續(xù)流二極管關(guān)斷瞬間存在著較大的反向電流 尖峰，導(dǎo)致 MOS 管電流在開通瞬間也存在較 大尖峰。以額定值為 3 A/6 V 對 Buck 電路進行實驗，仿真結(jié)果如圖 6 所示，尖峰電流對電 路元器件存在較大影響。

?為解決續(xù)流二極管關(guān)斷過程產(chǎn)生的反向尖峰電流問題，采用了同步整流技術(shù)，對電路進 行了試驗，MOS 管波形如圖 7 所示。通過實驗 檢測，采用同步整流技術(shù)后 MOS 管開通過程中的尖峰電流消失，開關(guān)器件動態(tài)性能良好。

?采用同步整流技術(shù)前后，對電路進行開關(guān) MOS 管和續(xù)流二極管的紋波電流參數(shù)對比，同 時對整個電路的半載效率進行了對比，對比結(jié)果見表 1。

??由表 1 結(jié)果可知，采用同步整流技術(shù)后， 續(xù)流尖峰電流值減小，開關(guān) MOS 管電流最大值減小，Buck 變換器的整體效率得到大幅提升。 采用同步整流技術(shù)后，Buck 變換器的性能得到 較大改善。

3?總結(jié)

為解決 Buck 變換器工作于電感電流連續(xù) 狀態(tài)下，存在的續(xù)流二極管關(guān)斷時產(chǎn)生反向尖 峰電流的問題，采用了同步整流技術(shù)，利用 MOS 管代替了二極管進行續(xù)流。采用 SG3525 芯片作為控制芯片，通過以IR2110 芯片為核 心的自舉電路，對開關(guān) MOS 管和續(xù)流 MOS 進行驅(qū)動。通過電路原理分析和電路仿真，結(jié)果顯示帶有同步整流技術(shù)的 Buck 變換器具有變換效率高、工作過程中電磁干擾小、開關(guān) MOS管電應(yīng)力小等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中具有一定的可靠性和推廣性。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-587110.html

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