本人是一個大二的學生,初入開關電源設計,看了很多電源網的相關帖子,設計出了兩個buck電源,分別基于uc3842和tl494。做的很一般,經驗也很欠缺,希望各位前輩多多指導,說的不對的地方請各位大佬指出,方便晚輩學習
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從半年前開始設計buck電源,最早僅僅以為把方波灌給msofet即可實現開關降壓,就用555做了個信號源,當我調整電位器企圖改變占空比從而改變輸出電壓時,尷尬地發現輸出電壓并無變化。仔細看了虞龍老師(sometimes)等大佬翻譯的《開關電源設計》后,發現是電感工作模式處于dcm(斷續電流模式)下的緣故,眾所周知,buck電路輸出電壓為uin*d,這是在ccm模式下利用法拉第電磁感應定律推出的,為得到此輸出電壓,需控制開關頻率和電感量以保證電感工作在ccm模式下。而且需使用脈寬調至芯片來根據輸出電壓的反饋信號控制開關管驅動信號的占空比,才可做出真正的閉環控制開關電源。
在瀏覽電源網眾多buck方案的帖子時,發現很多方案失敗的原因在于其企圖用uc3843的六號腳位輸出信號直驅mosfet,做出后其實自然就會發現開關管處于線性工作區間,這是因為驅動電平問題導致的。
如圖,與boost電路不同,對于buck電路,其mosfet位于高邊,其源極并不直接與功率地相連而是先接至負載,若把以功率地為參考點的輸出信號直接接至mosfet柵極,由于負載產生壓降,mosfet源極電位將被抬高,而柵極電位并無變化,mosfet的gs端將處于欠壓狀態而進入線性工作區。
為了正常驅動開關管,需要將柵極電位進行抬升,或者直接在gs端接入一路隔離電源并使用隔離驅動技術傳遞驅動信號(例如驅動光耦)。
我最后在uc3842方案中使用了ir公司ir2117柵極驅動器,這類高邊mosfet的驅動器需搭配自舉二極管(需用快恢復類,我使用了fr107)和自舉電容(典型容量為一微法,若驅動信號頻率較低,需要適當提高自舉電容容量)。以下是我的uc3842buck方案電路,(驅動部分并未使用圖中的分立器件自舉回路,而用了上文所述的驅動ic,這個自舉回路存在一定的問題最終沒有采用)。
對于這個圖,重點說下我對三號腳位的處理,眾所周知,uc384x
的三號腳位是電流反饋腳位,當此處的電壓幅值大于一伏時,芯片將進入保護狀態,很多時候電源輸出進入打嗝狀態,就是因為三號腳位引入了較大幅值的噪聲所致。為了防止這種情況發生,我學校的老師讓我把三號腳位直接接地(現在來看真他娘的蠢)。然而這樣干后,尷尬的發現芯片輸出占空比保持最大。請教了尤小翠師父,才知道這個腳位其實直接與pwm鎖存器相連,如果其直接接地,反饋信號永遠小于基準信號,自然無法縮小占空比。 (具體框圖如下所示)
所以為了讓pwm調制正常進行,需要在三號腳位引入適當幅值的鋸齒波,如果從主拓撲中引入,則電流環處于閉環狀態,pwm芯片將進行峰值電流保護,pwm調制模式為電流模式,對比電壓模式有諸多優點,但將引入電流模式帶來的次諧波震蕩問題。引入的鋸齒波如果斜率過小或過大則需要對三號腳位進行斜坡補償。對于我這樣的初學者來說還是有些難。我最后選擇了電流開環的辦法,即在三號腳位引入固定幅值與頻率的鋸齒波。其實相當于把電流控制型脈寬調至芯片當成電壓模式芯片來用,并將電流環開環。
引入鋸齒波的方法有很多,在這里介紹一個ti官方的接法
即使用npn型bjt將rt腳位的鋸齒波引入三號腳位,注意看圖中的電位器,其用于調整鋸齒波幅值,其大小不應超過一伏。
最后在小翠師父的指導下打了pcb,送至某創打樣
實物如下
用五歐姆水泥電阻做負載,粗測效率百分之八十(很抱歉我因為條件有限,實在無法測到更加精確的數值)
想嘗試下其他的芯片,于是找到了經典中的經典——tl494
其實用tl494的buck,ti官方已經給出了典型應用電路,(非常感謝電源網推出的buck板,用的就是這個電路,這套電路讓我初步認識了脈寬調制的原理)
實際做出后很開心,但是有一點不太開心,——這個電路的主開關管是pnp型bjt,價格較貴不說,bjt的導通壓降使這個電路與使用n溝道mosfet的
buck相比效率低了好多。于是自己著手改造電路,首先,需要將這個電路改為下拉接法,即將c1 c2接至vcc,e1 e2接至下拉電阻后與gnd相連。即可在下拉電阻兩端得到pwm調制信號。
制作出的pwm驅動電路實物如下
這是在五號腳位檢測到的鋸齒波信號
這是在較大占空比輸出時下拉電阻兩端檢測到的pwm信號
其次,需要將這一信號送至mosfet驅動電路。為了嘗試自己不會的技術,我使用了高速光耦隔離驅動。
較大占空比下,gs端驅動波形如下
光耦隔離驅動對比自舉驅動和gdt驅動而言有著驅動占空比可以較大的優勢,最終做出的電源的emi也明顯比自舉方案要小,缺點在于驅動速度慢,而且需要在驅動端加入一個隔離電源,驅動芯片造假昂貴的缺點,但由于不易受干擾,對布線的要求不高,很適合我這樣的初學者。
本帖將持續更新,后續將加入同步整流技術提高輸出效率。非常感謝電源網的很多技術帖作者,你們讓我學到了豐富的知識,非常感謝小翠師父在百忙之中教會我這么多電源知識讓我得以入門。本人才疏學淺,如果有什么內容說的不對,歡迎各位大佬指出,謝謝你們。