案例:设计一个Buck电路,满足如下性能指标要求:
一、性能指标要求
1、输入电压
标准直流电压48V
2、输出电压
直流电压24V,5A
3、输出电压纹波
100mV
4、电流纹波
0.25A
5、开关频率
fs = 250kHz
二、需要计算的参数
1、占空比D1
2、电感L
3、电容C
4、开关元件Q的选取
三、BUCK电路拓扑
* D:续流二极管
* L和C组成LPF
四、BUCK电路工作原理
1、当t=[0,Ton]时,控制信号是的MOS管导通,续流二极管D截止,向电感L充磁,向电容C充电;
2、当t=[Ton,T]时,MOS管截止,续流二极管D导通续流,电容C放电和电感L中电流下降维持;
五、参数计算的假设前提条件
1、开关管和二极管均为理想型器件;
2、电感L较大,使得在一个周期内电流连续,且无内阻;
3、直流输出电压Uo恒定;
4、整个电路无功耗;
5、电路已达到稳态;
六、BUCK电路参数计算所需要的理论知识
1、基尔霍夫电压/电流定律;
(1)基尔霍夫电压定律:
在一个回路中,电压代数和为0。
(2)基尔霍夫电流定律:
在一节点,流进该节点的电流代数和等于流出该节点的代数和。
2、法拉第定律;
UL / L = ΔIL / Δt
3、当电路达到稳态时:电感L上的电压满足“伏秒值相等的原则”,即:
Von·Ton + Voff·Toff = 0
4、电容的定义式:
C = ΔQ/ΔUc
七、导通时的占空比D的计算
1、开关管导通时,由基尔霍夫电压定律得:
UL = Ui – Uo
2、开关管断开时,由基尔霍夫电压定律得:
UL = – Uo
3、针对电感L应用“伏秒值相等的原则”得:
(Ui – Uo)·D·Ts – Uo(1 – D)Ts = 0
4、求的D为:
D = Uo / Ui
八、电感L的计算
1、开关管导通时,由基尔霍夫电压定律得:
UL = Ui – Uo
2、由法拉第定律:
UL / L = ΔIL / D·Ts
3、电感L为:
L = UL·D·Ts/ΔIL
九、电容C的计算
1、电容C充电的电荷为:
ΔQ = ΔIL·Ts / 8
2、电容定义式:
C = ΔQ/ΔUc
3、将1中的式子带入2中:
C = (ΔIL·Ts) / (8ΔUc)
十、案例中各个元器件的参数计算
1、占空比D
D = Uo / Ui = 0.5
2、电感量L
L = UL·D·Ts / ΔIL = (48-24)*0.5*(1/250*10^-3)/0.25 = 0.000192H
3、电容量C
C = (ΔIL·Ts) / (8ΔUc) = (0.25A / 250kHz)/ (8 * 0.1V) = 0.00000125F
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