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BUCK与BOOST电路

1、电源的分类

我们常见到的电源按照输入输出的类型主要分为三种:AC/DC,DC/DC,DC/AC(逆变器)。如下图所示:

BUCK与BOOST电路

1.1 开关电源的概念

开关电源是指利用电力电子技术,控制开关管的开通和关断时间比率,维持稳定输出电压的一种电源(开关管通常是MOS、三极管、IGBT等)。按照输入输出类型分为交流开关电源和直流开关电源,按照开关管类型又可单独分为线性稳压器和开关稳压器。在这里重点介绍直流开关电源

1.2 DC/DC

广义上的DC/DC电源我们按照开关管的类型分为线性电源和开关电源两种。

线性电源:又称为线性电源、低压差稳压器、LDO(Low Dropout Regulator)。

开关电源:又称为开关电源、DC/DC(狭义上的叫法,根据不同的习惯叫法不同)

注:线性稳压器和开关稳压器的区别

线性电源:①传输元件工作在线性区,它没有开关的跳变;

②仅限于降压转换,很少会看到升压的应用。

开关电源:①传输器件开关在每个周期完全接通和完全关断的状态

②里面至少包括一个电能储能的元件,如:电感器或者电容器;

③多种拓扑结构(降压、升压、降压-升压等)

开关电源按照隔离方式又分为非隔离型和隔离型,非隔离型按照充电方式又分为电感形式和电容形式(电荷泵)。隔离型又分为正激型和反激型。

2、开关电源的两种基本拓扑结构

2.1 降压电路 BUCK

2.1.1 降压电路的概念

BUCK与BOOST电路

如图所示,电路中仅包含一个直流源DC,一个开关S和一个负载R,以一定频率对S进行操作。

BUCK与BOOST电路

S=1,开关导通,时间ton,Vo=Vi;S=0,开关断开,时间toff,Vo=0

设占空比D,S动作周期为T,则可计算输出电压平均值为:Vo=D*Vi,D≤1,因此我们可以知道输出电压永远是小于输入电压的。

在上述电路的基础上,我们增加一些元器件让电路变得更加完整:

①输出端增加电容C,平滑输出电压

②增加电感L,抑制电流突变,同时用于储存电流

③增加二极管D,开关断开时提供续流回路

④将开关更改为功率开关管

以下就得到了典型的BUCK电路模型:

BUCK与BOOST电路

状态一:当开关闭合时,输入的能量从电源Vi,通过S→电感器L→电容器C→负载R供电,此时电感器L同时也在储存能量。

状态二:当S关断时,能量不再是从输入端获得,而是通过续流回路,从电感器L存储的能量→电容C→负载R→二极管D。

2.1.2 电压-电流波形

BUCK与BOOST电路

开关导通的时候,能量从输入向输出传递,Iq电流斜率上升,此时Id电流是没有的;当输出电压高到一定程度时,开关就断开,这是电感、负载、二极管形成自然的续流回路,Id电流开始线性减少,此时Iq电流是没有的。当电压低到一定程度后,重新开通开关;通过这样高频率的开通和关断,就形成一个稳定的输出电压。

2.1.3 降压转换器拓扑

BUCK与BOOST电路

上图就是一个降压转换器的电路结构,我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压,再经过一个比较器和基准比较,如果输出小于基准,MOS管就开通;如果输出大于基准,就关断MOS管。

2.2 升压电路 BOOST

2.2.1 升压电路的概念

我们已经知道通过对电压回路的不断开合从而实现降压,但是却不能实现升压。我们换一条思路,假设在线路的传输过程中,线路不存在损耗,即输出功率等于输入功率

P= Vin*Iin=Vout*Iout

在功率不变的情况下,只要降低传输过去的输出电流Iout,则可以提高输出电压。所以升压电流就等同于设计一个降流电流,仅包含一个输入电流源,一个开关S和一个负载R。因为开关要实现对输出的分流,所以开关要和负载进行并联。如下图所示:

BUCK与BOOST电路

S=1,开关导通,时间ton,io=0;S=0,开关断开,时间toff,io=ii

输出电流的平均值:Io=(1-D)Ii

功率不变的条件下,电压与电流成反比则输出电压为:Vo=1/(1-D)*Vi,D≤1,因此我们可以知道输出电压永远是高于输入电压的。

在上述电路的基础上,我们增加一些元器件让电路变得更加完整:

①现实中是很难找到电流源,我们把一个电压源串联电感近似于一个电流源;

②输出端增加电容C,平滑输出电压;

③使用二极管加功率开关器件替换开关S,防止电容短路且提供供电回路;

以下就得到了典型的BOOST电路模型:

BUCK与BOOST电路

状态一:当开关闭合时,输入的能量从电源Vi,对电感充电,形成的回路是:输入Vi→电感L→开关管Q;

状态二:当开关管关断时,输入的能量和电感能量一起向输出提供能量,形成的回路是:输入Vi→电感L→二极管D→电容C→负载R,因此这时候输出的电压肯定就比输入的电压高,从而实现升压。

2.2.2 电压-波形电流

BUCK与BOOST电路

2.2.3 升压转换器拓扑

BUCK与BOOST电路

上图所示升压转换器的控制回路是通过分压电阻的采样,然后经过误差比较器和基准源比较,最后输出PWM。

2.3 总结

①BUCK、BOOST电路中都包含了三个元器件,电感、开关管、二极管,将BOOST中的三个元器件顺时针旋转180°得到BUCK电路。

②在上述电路中,占空比越大,效率越高,损耗越小。