了解开关模式调节：降压转换器

降压转换器设计

我们将使用的电路如图 1 的原理图所示。这称为降压或降压转换器。

Buck（降压）转换器仿真原理图

图 1. Buck（降压）转换器仿真原理图

降压或降压转换器可用于完成电源管理电路的常见任务：将标准系统级电压（例如 12 或 28 V）降低至适合低功耗的 5 或 3.3 V 电源轨。电压电子设备。

我说“帮助”是因为图 1 的拓扑只是开关模式稳压器的功率级。它不是一个完整的调节器，因为它缺乏反馈，因此无法锁定指定的输出电压。

降压转换器原理图和仿真详细信息

在我们深入模拟和分析之前，让我们先讨论一下这个 LTspice 原理图的一些不太容易解释的方面：

电源开关型号
开关频率和占空比
在输入端使用理想电压源的含义之一
电感和电容值的选择
电源开关模型

物理转换器电路中的功率开关通常是场效应晶体管。在此模拟电路中，我使用电压控制开关，其规格由 .model MYSW SW(...) 语句确定。开关特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通态电阻
1 MΩ 断态电阻

阈值电压位于 VSWITCH 生成的逻辑低 (0 V) 和逻辑高 (5 V) 电平的中间。

开关频率和占空比

VSWITCH 产生用于打开和关闭开关的矩形波。使用 .param 语句，我定义了各种参数，使我能够轻松控制关键切换特性。我指定振荡器频率和占空比，这是我的大脑直观思考电路行为所需的值。这些用于计算周期和时间，这是 LTspice 的 PULSE 函数所需的值。

在输入端使用理想电压源进行仿真

输出电容器是转换器操作不可或缺的一部分，因此在模拟电路和物理电路中都是必需的。物理电路还需要一个输入电容器，其关键目的是降低源阻抗，从而使转换器能够更平稳地从输入电源汲取强烈的突发电流。由于我的 SPICE 实现中的输入电源具有零串联阻抗，因此不需要输入电容器。

电感和电容值的选择

图 1 中所示的电感 (100 H) 和电容 (1 F) 值是我使用本 TI 应用笔记中的公式计算得出的合理起点。我们将在以后的文章中探讨电容器和电感器值的影响。

降压转换器仿真

我们首先运行一个占空比为 50%、负载电阻为 1 kΩ 的仿真。图 2 是输出电压随时间变化的图。请注意，输出电压需要一些时间才能达到其稳态值。

降压转换器输出电压稳定

图 2.降压转换器输出电压稳定。

开关模式转换器，包括我们称为电荷泵的基于电容器的开关器，具有与输出电容器充电所需的时间相对应的启动延迟。这种情况几乎发生在任何电路中，因为某处总有一些电容需要充电。

然而，对于开关来说，启动时间可能会相当长，因为充电电流受到开关动作的限制，并且要充电的电容量相对较大。

占空比对降压转换器输出电压的影响

如图2所示，输入电压为12V时，稳态输出电压约为10.5V。占空比为50%，那么为什么输出电压远高于输入电压的50%呢？

如果您已阅读上一篇文章，您就会看到该图（图 3 中重复），其中滤波电压的幅度直接对应于 PWM 波形的占空比。

直流电压电平是 PWM 占空比的函数。
图 3.直流电压电平与 PWM 占空比的函数关系。

然而，该图仅描述了对 PWM 波形进行滤波的效果。而在开关模式转换器中，PWM 占空比只是影响 V IN与 V OUT比率的众多因素之一。我可以将占空比保持在 50%，并通过修改电感值、负载电阻值或开关频率来显着改变输出电压。

这个讨论很好地提醒我们，占空比并不是生成特定的固定输出电压的一种手段。相反，开关模式稳压器通过调整占空比来实现稳定的输出电压，作为负反馈实现的闭环控制方案的一部分。

因此，我们不能仅将占空比设置为 50%，并假设 V OUT = 6 V，V IN = 12 V。无论如何，我们都不想围绕恒定输入构建稳压器电压。我们更愿意设计一种能够抵抗意外输入变化并易于集成到可能具??有不同输入电压的新应用中的稳压器。

在结束本节之前，我想简要提及 PWM 并不是执行开关模式调节的方法。尽管不太常见，但脉冲频率调制 (PFM) 在某些应用中是，因为它可以在轻负载条件下提供更高的效率。

降压转换器电感电流

我们将以图 4 的图来结束，该图显示了电感器电流相对于开关控制电压和输出电流的关系。

降压转换器开关电压（顶部）、电感器电流（绿色底部）和负载电流（红色底部）。
图 4.降压转换器开关电压（顶部）、电感器电流（绿色底部）和负载电流（红色底部）。

开关控制电压图表达了开关的状态：当开关控制信号为逻辑低电平时开关打开，当信号为逻辑高电平时开关关闭。根据开关模式调节的基本原理，开关始终被驱动为完全导通或完全关断，这意味着它要么自由通过电流，要么完全阻止电流。

未经修改，这种开/关电流无法正确为电子电路供电，但电感器电流图显示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效应。通过电感器的电流不能瞬时变化，降压转换器的拓扑允许电感器将开/关电流转换为斜坡上升/斜坡下降电流。如光标虚线所示，当开关导通时，电感器电流开始斜坡上升，当开关关闭时，电感器电流开始斜坡下降。

对于电源目的而言，仅电感器电流就会产生太多纹波。然而，电感器与输出电容器一起工作，提供足够的滤波，以实现您在图中看到的稳定、低纹波负载电流。请注意，负载电流是电感电流的平均值。