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嵌入式硬件电子电路设计(一)开关电源Buck电路

目录

Buck电路基本结构

1. 开关闭合(SW 闭合)

2. 开关断开(SW 断开)

3. 开关控制和占空比

MP1584电路分析

其他Buck芯片的电路参考


Buck电路基本结构

下图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生K闭合后,D关断,电流流经L,L是储能滤波电感,它的作用是在K接通Ton期间限制大电流通过,防止输入电压Ui直接加到负载R上,对R进行电压冲击,同时把电感电流IL转化成磁能进行能量存储;与R并联的C是储能滤波电容,如此R两端的电压在Ton期间是稳定的直流电压2、在K关断期间TOff,L将产生反电动势,流过电流L由反电动势eL的正极流出,通过负载R,再经过续流二极管D,最后回到反电动势eL的负极。由于C的储能稳压,Tof阶段的输出电压Uo也是稳定的直流电压K闭合时,L两端有压降,意味着Uo<Ui,BUCK电路一定是降压电路。

如下为SW导通和断开的图示。

主要结构是围绕着上述元器件所展开。

因此我们了解完结构之后,我们对Dt与I建立的关系式,如下图所示,分别从SW为研究对象阐述。

1. 开关闭合(SW 闭合)

  • 能量存储:当开关闭合时,输入电源通过开关流入电感器,电感器开始储存能量。电流逐渐增加,电感器中的磁场也逐渐建立。
  • 电压传递:在此状态下,电感器的电压几乎等于输入电压,输出端的电压会随着电感器的充电而上升。
  • 滤波:由于电感器的特性,电流在升高时不会瞬间变化,这有助于减少输出电流的波动。

2. 开关断开(SW 断开)

  • 能量释放:当开关断开时,电感器不再与输入电源相连。电感器中的能量会通过二极管(或同步整流MOSFET)释放到输出端,从而维持输出电压。
  • 电压调节:在开关断开期间,电感器的电流会逐渐减小,但输出端的电压会保持在一定的水平,具体取决于电感器的电流变化和输出负载。
  • 输出平滑:此时电流通过二极管流向负载,使得输出电压保持稳定,避免电压骤降。

3. 开关控制和占空比

  • 调节输出电压:通过控制开关的导通时间和断开时间(即占空比),可以精确调节输出电压。占空比越大,输出电压越高;占空比越小,输出电压越低。
  • 频率调节:开关的开关频率(频率越高,开关切换的速度越快)也会影响输出电压和电流的波动,设计时需要综合考虑。

当我们补充完上述理论基础知识后,还需要具体调研,对实际场景或者产品中运用进行学习研究。

MP1584电路分析

我们查看芯片手册,得到如下基本电路图。

由降压型开关电源芯片MP1584构成的Buck电路的电路图如下所示。

  • VIN(输入电压)

    • 该引脚用于连接输入电源,提供转换器所需的输入电压。一般来说,输入电压范围是 4.5V 到 28V。
  • SW(开关)

    • 这个引脚连接到内部开关元件(通常是 MOSFET)。它用于将输入电压转化为所需的输出电压。在开关导通时,SW 引脚会与 VIN 相连,电流流入电感器;在开关断开时,SW 引脚则连接到输出端和地之间,通过二极管释放能量。
  • FB(反馈)

    • 反馈引脚用于监测输出电压。通过连接分压电阻网络,将输出电压反馈到该引脚,以保持输出电压在设定值上。系统根据此反馈信号调节开关的工作状态。
  • EN(使能)

    • 使能引脚用于控制转换器的启用和禁用。将该引脚接高电平(通常是 VIN 电压)会启用转换器,接低电平会将其关闭。这对于节省电源和控制功耗非常有用。
  • FREQ(频率)

    • 频率引脚用于选择开关频率。通过接不同的电阻,可以调整转换器的工作频率,通常在 200kHz 到 1MHz 之间。这有助于优化电路的性能和效率。
  • COMP(补偿)

    • 补偿引脚用于连接补偿网络,以优化控制环路的稳定性和动态响应。这通常需要外部组件(如电容器和电阻器)来设计,以确保转换器在不同负载条件下保持稳定。
  • GND(地)

    • 地引脚是电路的公共接地,所有电压参考都基于此引脚。正确的接地连接对于降低噪声和确保电源稳定性至关重要。

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