1.Buck电路原理—简介

　　Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。Buck变换器也有CCM和DCM两种工作方式。

　　2.Buck电路原理—特点

　　Buck电路特点：

　　效率高，可靠性好;

　　工作效率高，使电路中电压/电流波形的快瞬变化，产生电磁辐射干扰;

　　元件布局和PCB布线难度较大;

　　输出电压纹波比较大;

　　电路复杂，成本高。

　　Buck电路原理

　　为buck电路的工作原理图。

　　从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过;电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。

　　当sw1闭合、sw2断开时，电源Vin给电感充电，并同时向负载供电，此时电感上的电流增大;

　　当sw1断开、sw2闭合时，由电感来维持输出电流，电感处于放电过程;

　　若在频率比较大的情况下，输出电流可看作两个阶段：即线性上升和线性下降两个阶段。

　　由上可知，电感电流又直流和纹波电流两部分组成;在CCM模式，电感电流随负载电流变化，但纹波分量不变，由此可以看出负载变化时占空比不变。

　　当负载减小到使电感电流从零开始时，此为CCM与DCM转换的临界状态。进一步减小输出负载，此时不需要很大的电感电流维持输出功率，电感开始减小，占空比也减小，而电感也在开关管下次导通之前电流降为零。电路进入DCM模式，在此模式下，占空比随着负载变化而变化。

　　降压电路是一种基本的DC/DC变换器。随着IPM驱动和MCU供电、LED照明驱动、继电器和交流开关供电等小功率、直接从母线电压供电的应用场合越来越多，而目前的大部分DC/DC变换器输入电压一般在50V以内，一种高压的降压型斩波变换器被研究和使用得越来越广泛。考虑到降压电路构成简单、成本较低，因此这种变换器具有良好的市场前景。本文对其原理和高压降压电路应用设计进行了详细地阐述。

　　降压电路拓扑分析

　　是降压拓扑的电路图。当t=0时驱动S导通，电源Uin向负载供电，电感电流iL线性上升。当t=ton时控制S关断，二极管VD续流，电感电流呈线性下降。

　　降压拓扑电路图。

　　根据电感电流是否连续，可分为连续电流模式(CCM)、不连续电流模式(DCM)和临界电流模式(BCM或CRM或TM)。通常串接较大电感L使负载电流连续且纹波小。但是小功率SMPS中为了减小噪声以及损耗，通常选定电感电流不连续模式(DCM)。CCM和DCM下的各参数波形如图2所示。

　　CCM和DCM下主要参数波形。

　　1. BCM和CCM

　　设IL为iL的平均值，△iL是iL的纹波值。则在BCM和CCM模式下：

　　从(1)、(2)和(5)得： 在CCM下, (5)取>号

　　在BCM下, (5)取等号， ==> L=R*Ts*(1-D)/2

　　2. DCM

　　设图2中t1处iL=0，且a=(t1-ton)/Ts=t1/Ts-D。则稳态时 L上电压开关周期平均值为0:

　　C在开关周期内电流平均值为0:

　　iL的平均值：IL=△iL*(D+a)/2<△iL/2

　　Load电流： Io=Uo/R

　　根据(7)、(8)和(4)得: 0.5*[(Uin-Uo)/L]*D*Ts*[Uin*D/Uo]=Uo/R

　　且: K=2*L/(D2*Ts*R)=2/(D2*x), x=Ts*R/L, y=Uo/Uin。

　　各模式下Uo/Uin的比值变化图。

　　降压仿真

　　使用SACT软件对降压电路进行仿真。若输出电压Uo=15V、输入电压Uin=220V，则选取驱动脉冲P1占空比D=Uo/Uin=15/310=0.04839。选取R=75Ω，则输出电流Iout=15/75=0.2A。取频率为f=100kHz，按照临界电感电流模式(CRM)来设计，L=R*T*(1-D)/2=75Ω*(1-0.04839)/(2*100kHz)=0.71mH。

　　相应的电路和波形如图4所示。波形从上而下分为：Vdc1，Vds(SW)，VR1、IL1和ID1。

　　图4：降压拓扑电路仿真图。

　　实现降压电路的控制器A635x

　　1. A635x方框图

　　STR-A635x系列是内置功率MOSFET和控制器的Flyback型开关电源用厚膜集成电路。A635x为PRC工作方式，采用DIP-8封装，最适于小功率电源。由于所需外接器件很少，电路设计简?g，因此容易实现电源的小型化和标准化。注：PRC为Pulse Ratio Control(关断时间一定的导通脉冲宽度控制)的缩写。

　　图5：A635x的方框图。

　　A635x特点：

　　小型DIP-8绝缘封装，适合于低背、小容量开关电源。

　　使用On Chip Trimming技术，振荡器内置于控制器MIC中。

　　控制器内部的比较器使用了温度补偿，温度漂移小。

　　电源启动前控制器的工作电流小(50μAmax)。

　　内置有源低通滤波器，使电源在轻负载时能稳定工作。

　　使用高耐?RMOSFET，保证MOSFET的雪崩能量：

　　由于保证MOSFET的雪崩能量，因此可以简化浪涌吸收电路的设计

　　可免除Vdss的余量设计

　　内置MOSFET的定电压驱动电路

　　丰富的保护功能

　　过电流保护(OCP)：逐个脉冲方式

　　过电压保护(OVP)：锁定方式

　　过热保护(TSD)：锁定方式

　　A635x的方框。

　　2. PRC控制

　　定电压控制是以固定MOSFET的OFF时间(?P15μsec)、调节ON 时间的PRC工作方式进行。该工作方式为PRC方式。

　　PRC定电压控制动作电路图。

　　输出电压的定电压控制是由光耦的反馈电流实现的。当VR5电压(ID的峰值)+VR4电压(FB电流)之和达到Comp.1 反转阈值时MOSFET关断。故A63系列为电流控制方式。

　　一般的，在电流控制方式下轻载时VR4的电压较大(由于光耦的反馈量较大)，MOSFET导通时的浪涌电流产生的噪声易使Comp.1误动作。A63系列为了防止这种现象，在MOSFET关断期间使用一个A-LPF降低OCP/FB端子与GND间的阻抗。这是一个0.8mA 的定电流电路，在MOSFET导通前，流入OCP/FB的定电流降低反馈电流产生的偏置电压，使电源能在轻载时稳定工作。

　　与ST的Viper12相比，两者的反馈方式和开关电流设置等特点如表1所示。

　　表1：ST与Viper12对比表。

　　应用实例

　　1.参数选择

　　电感Lp:在PWM动作模式下，电感选择可依据：

　　其中：Po为输出功率，Idp为开关电流峰值，fsw为开关频率。

　　在PRC动作模式下，并且处于电感电流临界模式时，

　　式中：R是负载电阻，T是开关周期。

　　[计算例] Uin.ac=90V时，Idp=0.236A，Po=1.5W，fsw=59.2kHz(根据5.3节动作波形)。于是，Lp≌(2Po)/(Idp2*fsw)=2*1.5W/[(0.236) 2*59.2kHz]=0.8?mH。

　　若要计算临界电感电流模式(BCM)下的电感值，可根据(2)式：Lb=0.5*(Uo/Io)*Toff=0.5 *(15V/0.1A)*15μs=1.125mH。

　　由于现在采用的电感Lp=0.77mH

　　输入电容Cin:

　　上式中：I是放电电流，η是效率，△U为输入电压的纹波值，t是电容向负载释放电流的期间，T是整流周期，t由下式计算：

　　，其中Uinmin与Upeak分别为输入交流Uin的最小、最大值。

　　[计算实例] Uin.ac=90V是条件最苛刻的状态，按此电压计算，Upeak=90*1.414=127.3V，Uinmin=90*1.414*0.9=114.6V，全波整流下T=10ms。所以，t=10ms*(0.75+arcsin(114.6/127.3)/2π)=10ms*(0.75+0.18)=9.3 [ms]。取效率η=0.6,

　　则：Cin=(1.5W*9.3ms)/(0.6*114.6*(127.3-114.6))=16.9 [μF]。

　　本实验中，输入电容的值取为22μF/400V。输出电容Cout:

　　式中：△Uo是输出纹波电压，D是占空比，L是输出电感值，Ts为开关周期。

　　[计算实例] Ton=Lp*(Idp/Uin.min-Uo)=0.77mH*0.236A/(114.6-15)V=1.83[μs]，T =Ton+Toff.max=1.83+18=19.83[μs] 。

　　T =19.83[μs]，D=Ton/T=9.23%，△Uo=15V*1%=0.15V，则：Cout=(19.83μs)2*15V/(8*0.75V*0.77mH)*(1-9.83%)=5.76μF。

　　本实验中，输出电容的值取为10μF/35V取即可满足要求。

　　2.应用电路图

　　基于上述计算，主要参数选取为：电感为0.77mH，续流二极管为RL3A，输出电容400V/22μF，输出电容35V/10μF，OCP电阻Rocp=2.7Ω，启动电阻1MΩ。反馈电路的参数为14A的稳压二极管和1kΩ的电阻。A635x构成降压应用电路，详细请参考图7。

　　图7：A635x构成降压应用电路。

　　3.实验结果与讨论

　　1.效率：见表2。

　　表2：典型输入电压下电源效率。

　　2.输出静态性能：见表3。

　　表3：输出静态性能。

　　3. 动作波形

　　实验条件：Uin.ac=90V(除非特别指出)，Load=15V/0.1A 。波形如图8所示。

　　STR-A635x构成的降压电路DC/DC变换器能正常工作，输出能满足规格要求。利用A635x中的MOSFET，构成降压电路拓扑结构，并用稳压二极管与电阻结合构成反馈电路，形式简单。A635x在电源正常时工作效率也较高，并且由于是PRC模式，OFF时间一定，电感设计较为方便。

　　这种电路可用于IPM/MCU驱动和供电、LED显示、继电器和交流开关等的小功率供电的场合。因为这种电路构成成本较低，因此具有良好的市场前景。