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學生黨請教各路大俠,有關BUCK電路的一些問題,希望大俠們能為小弟解惑


  各位大俠,小弟是大二學生黨一枚,已經報名參加了2013年的全國電子設計大賽,我和我的隊員們打算做電源方面的題目,現在正在學習基于 BUCK 的 DC to DC 電路??赡艽髠b們認為有問題應該找老師啊,找咱們這些大老爺們干啥?對于這種問題小弟也表示無奈,現在的老師以及叫獸只會忙著撈金做項目評職稱,那有那么多時間來指導學生啊~~假期留在學校實驗室半個多月了,也沒見指導老師過來指導一下過,不指導也罷了,萬一獲獎了指導老師那里還得填上他的名字。。。。唉。。。。

  話不多說了,咱步入正題,下面就提出我們現在遇到的一些問題及疑問,希望工作在一線的各位大俠能抽空指導一下我們,給予一些幫助,哪怕只是一點點我們都會感激不盡!在這里我謹代表我們團隊祝各位工作順利,萬事如意!

  在這之前,我們查閱了很多相關的資料,基本弄懂了BUCK降壓的原理,也簡單的搭了一下電路來驗證,但是錯誤百出,在這里我把我們的設計過程寫出來,請各位大哥們幫忙看一下有什么做的不會的地方。

 設計要求:

  輸入12V,輸出5V、2A,由MSP430單片機產生頻率 F=400KHZ 的PWM(假設MSP430能產生這么高的PWM,如果不行再降低),紋波電壓要求50mV,紋波電流為輸出電流的0.3即0.6A。

以下是設計過程:

電路圖采用典型的BUCK電路:

BUCK電路圖


由以上算的占空比 D=5V/12V=0.416

一、電感的選擇:

  L=(Vin-Vout)X占空比 D ÷頻率 F÷ 紋波電流=(12-5)X0.416÷400KHZ÷0.6A = 12.12 uH

  假設所使用的電感的 ESR =0.037 Ω 則電感上的損耗 = I^2 X ESR=2A X 0.037 Ω =0.15W

二、輸出電容的選擇:

  因為紋波電壓=紋波電流 X [(ESR+△T)/C + ESL / △T ] ,其中 △T=D/F =0.416 / 400KHZ =1.04 微秒, D為占空比,F為頻率

  假設所選取的電容的ESR = 0.03Ω ,ESL = 0 ,算出的 C = 19.5 uF ,故選用 16V 470 uF的電容(也不知道對不對)。

  輸出電容的損耗 = 紋波電流 I^2 X ESR = 0.6^2 X 0.03Ω =0.01 W

三、輸入電容的選擇:

  估算紋波電流(不知道是不是這樣叫) ≈ 輸出電流 I / 2 = 1A

  允許的最大輸入紋波電壓 200 mV,假設所選電容的 ESR = 0.12 Ω

  計算所選的 C = △T / [(輸入紋波 200 mV /紋波電流 1A)-ESR 0.12 Ω ] =13 uF 

  故選擇 16V 470 uF 的電容 ,其損耗 = 1A X 0.12Ω = 0.12W

四、二極管的選擇

  估算流過二極管的電流 = [ 1- 占空比  D ] X 輸出電流 I  = [1 - 0.416 ] X 2A =1.17 A

  所承受的最大反向電壓 = Vin = 12V

  故選擇肖特基二極管 1N5820,參數為 20V,3A  其損耗 = 1.17A X 二極管壓降 0.4V = 0.47 W

五、場效應管的選擇

  選了一個導通電阻Ron為 0.02 Ω 的PMOS

  則導通損耗 = 輸出電路 X 導通電阻 X 占空比 = 2^2 X 0.02Ω X 0.416 = 0.033W

  開關損耗 = (公式有點復雜,就不打了)=0.297W

  總損耗  = 0.003 + 0.297 = 0.3 W (根據這個可以算出MOS管的溫升 ?)


總效率 = [ 輸出功率 5V X 2A = 10 W] ÷ [ 輸出功率 10W + 整體電路損耗 1.05W ] = 90.5%


以上設計過程是參考 Microchip 公司的一個PDF文檔來設計的,不知道有沒有問題?問題出在哪方面?希望大家能指出并解惑,謝謝!


==================== 以  下  是  實  際  制  作  過  程  中  的 疑  問  ================

1、假使使用的是NMOS,如何能保證 MOS 處于開關狀態 ?是不是要專用的驅動把G極電壓提升到比VCC還高,使得MOS能導通?(自舉電路?)

2、根據上面的BUCK原理圖能否做出符合要求的DC - DC電路?是否需要加輸出反饋電路或者其他輔助電路?

3、假使算出來的電感是35uH,能否使用47uH的電感?100uH的電感呢?對電路有什么影響?

4、測空載時的電壓有意義嗎?如何保證空載時輸出的電壓為5V?是要接假負載來實現嗎)?

5、。。。。。。

6、。。。。。。

還有很多很多疑問,如果有哪位大俠愿意做我們的“指導老師” ,在空余時間幫我們解惑,請加我的QQ 370710247 ,小弟感激不盡??!

  全國電子設計大賽對于一個大學生來說,只有一次參賽機會,我們不想錯過這次機會,我們想拿獎!??!

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2013-07-24 15:19

1、如果是高邊驅動NMOS,就是要自舉電路將輸入電壓抬高,可以用專門IC,但也不是必須的

2、上面的原理圖是一個基礎框架,要穩定輸出電壓,反饋是必須的,否則由于電感、功率管內阻、功率管占空比丟失等,輸出電壓會隨負載嚴重變化

3、如果不涉及到環路的問題,比如你把反饋環路帶寬調的足夠低,電感當然可以比計算值大,這樣紋波電流也小,輸出電容的損耗也小。但是大的電感限制了電流擺率,整個電路的動態響應就差了

4、開環情況下,測出的空載電壓沒有意義,帶上負載,電壓會嚴重跌落,所以必須閉環

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2013-07-24 16:11

1、如果是NMOS,需要在單片機與NMOS之間加驅動電路,要么使用隔離驅動,要么使用自舉電路。使驅動信號接到NMOS的G、S二端之間,才能保證NMOS處于開關狀態;

2、對于50mV紋波電壓的要求,buck中的二極管反向電壓是個頻率為400kHz,占空比為0.416,幅值為12V的方波(傅立葉分解計算其基波400kHz的有效值),然后通過電感、電容的LC濾波(計算LC濾波的插入損耗),使輸出電壓的紋波小于50mV;

對于輸出5V的要求,如果只是開環控制,由于MOS有導通電阻、電感的銅線也存在電阻,所以在不同的負載下,輸出電壓會不同(即空載電壓較高,比如5V;滿載電壓較低,比如4.5V)。

3、電感的感量越大,濾波效果就越好,也就是0.6A紋波電流會減小。

4、如果是開環控制,空載時電壓會更高,加假負載可以得到略微改善。要保證在不同的負載下,輸出電壓均為5V,必須閉環控制,檢測輸出電壓,經過分壓后,與基準電壓比較,其誤差信號經過調節電路,調整占空比,使輸出電壓穩定在5V(這個控制電路也可用軟件實現)。

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2013-07-24 16:31
@rj44444
1、如果是高邊驅動NMOS,就是要自舉電路將輸入電壓抬高,可以用專門IC,但也不是必須的2、上面的原理圖是一個基礎框架,要穩定輸出電壓,反饋是必須的,否則由于電感、功率管內阻、功率管占空比丟失等,輸出電壓會隨負載嚴重變化3、如果不涉及到環路的問題,比如你把反饋環路帶寬調的足夠低,電感當然可以比計算值大,這樣紋波電流也小,輸出電容的損耗也小。但是大的電感限制了電流擺率,整個電路的動態響應就差了4、開環情況下,測出的空載電壓沒有意義,帶上負載,電壓會嚴重跌落,所以必須閉環
兩位學生網友碰到一起了,一個研二,一個大二,電源網的學院理論越來越濃厚了!
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a3711
LV.2
5
2013-07-26 01:07
厲害。輸出電感和濾波電容的計算公式是芯片PDF資料上的?
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zzkjim
LV.1
6
2013-07-31 09:42
@a3711
厲害。輸出電感和濾波電容的計算公式是芯片PDF資料上的?
新人請教:電感量越大,是不是它的動態響應會差呢?濾波電容大的話,會有什么影響?
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2013-07-31 10:59
@zzkjim
新人請教:電感量越大,是不是它的動態響應會差呢?濾波電容大的話,會有什么影響?
理論上來說是這樣,但是電感量只是影響環路的一個因素,動態快不快就多取決于環路補償設計。
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