Buck电路

柔情只为你懂 2022-10-16 04:48 217阅读 0赞

如果我们希望得到一个20V的直流电压源，我们能想到什么办法？  
很简单，从220V市电开始，通过变压器降压得到有效值为20V的电压，通过整流桥整流得到不稳定的直流电，接着用一个大的电解电容滤波，就可以得到20V的电压。

那么如果我们现在希望得到一个12V的直流电压源，我们该怎么办？  
依样照葫芦，从220V市电开始，经过降压、整流、滤波得到。这个方法固然没错，但是这样做显然成本太高了。我们可以在上述20V的直流电源的基础上，加一个LM7812稳压块就可以得到12V电压了。然而，这种线性稳压器的根本原理就是串联电路电阻分压规律。从原理上就决定了，电能的转换效率很低，例如20V转12V的效率为：12/20 \* 100% = 60%。

我们能不能找一个效率更高的方法呢？  
当然有，其中一种方法就是我们今天要介绍的Buck电路。

对于下面的电路，假如我们能以极高的频率让开关进行接通和断开，占空比为60%。那么根据PWM的知识，我们就可以知道，输出电压为：Uo = 20 \* 0.6 + 0 \* 0.4 = 12V。也就是获得前面我们希望的12V电压。

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但是上述电路中输出的电压/功率不稳定，所以我们希望加一个电容能让RL两端的电压保持稳定，于是就得到了下面的电路：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

这个电路也有问题，当开关闭合的时候，电容上的电流极大，容易烧毁电源。所以我们可以用一个串联电阻进行限流。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmdlaWwwMDc_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

使用了R1作为限流电阻之后，C1上的电流就有保障了。但是R1不可避免的会消耗功率。那么还有什么办法能在不增加功耗的情况下，限制C1上的电流呢？用一个电感代替R1电阻即可，所以我们就可以得到下面的电路：

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上述电路在开关闭合的瞬间，电感上的电流不能突变，所以电感上的电流比较小，因此电容上的电流也比较小。当稳定之后，电感相当于一根导线。  
电感上的电流不能突变，当开关断开的瞬间，电感上的电流没有地方去，所以它会可能击穿开关，造成危险。所以，我们需要加一个二极管让电感上的电流形成一个回路。于是得到下面的电路：

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这就是我们最终的Buck电路了。  
在这个Buck电路中，电感、电容都是储能元件，本身不消耗电能，整个电路中只有RL是消耗电能的负载，所以Buck电路的能量转化效率很高。  
Buck电路中，输出电压取决于电源的电压，以及开关的占空比。当占空比为1时，输出电压最高，就是20V，占空比降低时，输出电压降低。因此，Buck电路是一个直流降压电路。

电源可以稳定的输出20V电压，但是这个稳定的电压被高频率的开关分割成一段段的，所以Buck电路是一个直流斩波降压电路。

下面是Buck电路中各个元件的参数的计算方式，推导过程略。  
占空比D = Uo / Ui。Uo是输出电压，Ui是输入电压；  
电感电压UL = Ui - Uo  
电感量L = UL \* D \* Ts / dI。Ts是开关的一个开关周期，dI是输出电流的波纹  
电容C = dI \* Ts \* 1000 / (8 \* dUc)。dUc是输出电压的波纹  
输出电阻Ro = Uo/ Io。Io是输出电流的平均值

在实际电路中，我们用一个MOS管作为电子开关，另外需要一个芯片控制MOS管的开关频率和占空比。

感谢定明芳老师的讲解。

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