2.2-BUCK电路控制与设计实例

11BUCK电路控制与设计实例陈新[e-mail]课程组网站：南航电力电子课程组BUCK电路设计实例现一个24V-5V的DC-DC变换器为例，介绍BUCK电路的设计。控制电路ViVoBUCK电路设计实例变换器设计具体流程如下：Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例１．输入、输出参数的确定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例１．输入、输出参数的确定输入端电压为24V输出端电压为5.0V输出电压纹波30mV输出电流为5.0ABUCK电路设计实例2.电路及控制IC的确定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认2BUCK电路设计实例2.电路及控制IC的确定其控制IC的特性，因输入电压为24V，可采用最大额定电压须在30V以上的IC。若所需的效率较高时，还可采用同步整流式控制IC。有时还得考虑系统的外部On/Off功能及软启动等功能。BUCK电路设计实例3，频率f的决定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例3.频率f的确定目前，一般所使用的频率范围，多为100-500KHz之间。此项设计实例中采用200KHz振荡频率除可按控制IC的数据手册说明，由外部电容与电阻确定频率f较高时，则效率不佳；较低时，L1和C2等零件的体积增大，使动态负载变动难以减少BUCK电路设计实例4.电感L1的确定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例4.电感L1的确定考虑到肖特基二极管的通态压降，电感上的电阻所产生的压降，FET上的导通压降，VVon5.0VVL1.01VVf5.0VVo0.528.311LfoLonoionoffVVVVVVVTTBUCK电路设计实例4.电感L1的确定T=1/200KHz=5us因此Ton=1.2usD=0.24若取△I1为输出电流的20%，则△I1=0.2Io=0.2*5.0A=1.0A所以HTIVVVVLonLono2211113BUCK电路设计实例5.C1及C2的确定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例5.C1的确定首先求输入电容器的C1内所导通的纹波电流Ic1的值。为计算简化，令Id之值如图a所示，因Ic1为Id的交流分量，故其值如图b所示的状态。BUCK电路设计实例5.C1的确定Ic1的有效值为mAIrmsc21352.158.38.352.1221BUCK电路设计实例5.C1的确定因为电压为24V，故选用C1为PL系列中35V470uF的两个并联，允许纹波可从表1中查出，一个是1420mA两个并联就是2840mA,比前面计算出的要大，满足设计要求rmscI120℃/100kHz-10℃/100kHz10150010×31.50.0450.093547010×31.50.0460.09214401420开关电源用的电解电容电压/V(DC)电容量/uF外型尺寸阻抗/欧姆允许纹波电流/mA(rms)105℃/100-200kHzBUCK电路设计实例5.C2的确定仅根据容量设计公式，容量设计明显偏小（18uF）所需的ESR值，可计算得出若额定电压为5V，从电容器PL系列中选用10V、1500uF的电容，因其阻抗为0.045，两个并联为22.5，满足设计要求，C2的纹波电流有效值为此值比容许的纹波电流(1.44A)小得多，故可以。mIVESRco3000.1/03.0/2mAIIcrmsc29.032/00.132/222(1)8sooTVCDLVBUCK电路设计实例6.二极管D1的选定及损耗计算Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认4BUCK电路设计实例6.二极管D1的选定及损耗计算本应用是由24V输入,以5V输出，电压为较低，二极管采用肖特基二极管。因D1的反向电压要耐受24V的冲击电压，故宜选用耐压强度超过40V的器件。可采用肖特基势垒二极管D10SC4M的新电元产品。其正向压降Vf为0.5V时，则二极管的损耗Pd为再根据数据计算，选择合适的散热片即可WDIVPofd9.1)52.11(55.01BUCK电路设计实例7.功率MOSFET的选用及损耗的计算Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例7.功率MOSFET的选用及损耗的计算本应用是由24V输入,以5V输出，电压较低，所以功率器件采用MOSFET功率MOSFET的Vds最大值为24V，故选用最大额定电压时，须在40V以上。因漏极电流的额定，须在10A以上，为使其损耗减少，采用Ron与Ciss两者均小的FET较好，于是采用2SJ372.参数如下表沟道温度Tch150℃漏-源极电压Vdss-60V漏极电流(DC)Id-15A漏极电流峰值Idp-60A漏-源极见的ON电阻Ron0.1输入电容Ciss1350pF接通时间Ton220ns断开时间Toff960ns阻热Q3.12℃/W2SJ372最大额定电特性BUCK电路设计实例7.功率MOSFET的选用及损耗的计算开通使损耗Pon的值为若MOSFET开通时的损耗Pr值为MOSFET关闭时的损耗Pf,若及MOSFET关闭时，FET的浪涌电压为36V，则Pf的值为Q的损耗是三种损耗的总和，其值为WDIRPdonon6.024.051.022str1.0WTtIVPrdr36.051.05.424616111stf1.0WTtIVPfdpdspf66.051.05.5366161WPPPPfronq62.166.036.06.0BUCK电路设计实例8.控制常数的确定Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定控制芯片应用设计值的确定BUCK电路设计实例8.控制芯片选择TL494、UC3525控制IC5TL494芯片TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，典型的固定频率脉宽调制控制集成电路TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、死区调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。它包含了控制开关电源所需的全都功能，可作为BUCK、单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源的控制系统TL494芯片1、2脚是误差放大器1的同相和反相输入端；16、15脚是误差放大器2的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为死区时间调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线性变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；TL494芯片7脚为接地端；12脚为电源供电端；14脚为5V基准电压输出端8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极13脚为输出控制端，控制输出方式输出控制•13脚为输出控制端•该脚接地时为并联单端输出方式•接14脚时(高电平)为推挽输出方式输入反馈闭环回路的反馈信号送给TL494的误差放大器I的IN+同相输入端；设定输入信号是由TL494的5V基准电压源经电位器分压，接入TL494的误差放大器I的IN-反相输入端TL494的误差放大器I进行比较放大，输出控制电压，与脉冲宽度成反比的、变化范围为0～10V的直流电压。形成闭环单回路控制。如果只用到了TL494的误差放大器I，故将误差放大器II的IN+（16脚）接地、IN-（15脚）接高电平。反馈控制输出脉冲的宽度是通过正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。如果输出电压过高，控制信号变大，输出脉冲宽度减小。6反馈控制电源专用集成电路控制系统的特定性能低压工作－模拟加高压状态-加高电压实验要求：反复试验专用集成电路的脉宽调制特性充分掌握IC各脚工作电压和电流实测数据变化范围、变化速率、变化方向反复调节IC外围阻容参数，直到完全有把握按照控制电压－模拟加压－实际加压的过程进行调试反馈控制应用电路开关频率零死区单端输出输出驱动电压反馈环路电压反馈控制过流限流控制BUCK电路设计实例9.设计值的确认Vi、Vo及Io等输入、输出参数确定电路及控制IC的确定频率f的确定电感L1的确定C1及C2的确定二极管D1的确定与损耗的计算功率MOSFET的选用及损耗的计算控制常数的确定设计值的确认BUCK电路设计实例9.设计值的确认FET的输入电容为时，则驱动FET时的损耗值可由下式求得又DC-DC变换器的总损耗P值为于是可得效率eff值为装配完成后，还要观察其实际工作，并测定QD1C1C2的温度上升值，以确定其温升是否在设计温度范围内。而且要观测各处的波形，与设计值不致有过大差异方可。16.0200)24(135022kHzVpFfVCPiissdriveWPPPPdriveqd7.3%877.35555/AVAVPIVIVeffoooodrivePissC