利用Excel簡化Buck型開關(guān)電源功率級設(shè)計(jì)

武漢晴川學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院 沈 琪

利用Excel簡化Buck型開關(guān)電源功率級設(shè)計(jì)

武漢晴川學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院 沈 琪

開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常分為功率級設(shè)計(jì)和控制級設(shè)計(jì)，功率級設(shè)計(jì)主要任務(wù)就是器件參數(shù)的選定。常用的設(shè)計(jì)過程是比較繁瑣復(fù)雜的，且設(shè)計(jì)精度不高，耗時(shí)長。本文提出了一種利用Excel簡化Buck型開關(guān)電源功率級設(shè)計(jì)的方法，和常用設(shè)計(jì)方法做了對比，凸顯了其高效便捷等特性。

開關(guān)電源；Buck；功率級；Excel；簡化

0 引言

開關(guān)電源的設(shè)計(jì)愈來愈廣泛化、大眾化，從大學(xué)校園實(shí)驗(yàn)室到各類公司設(shè)計(jì)部門等，都有著特定開關(guān)電源的設(shè)計(jì)需求。然而，也許對于多數(shù)普通設(shè)計(jì)者或者工程師而言，即使在清楚地知道一個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理的情況下，仍會覺得設(shè)計(jì)是很繁瑣復(fù)雜的，尤其是在選定元器件參數(shù)的問題上感覺棘手。因?yàn)檫@一過程涉及到不斷地參數(shù)計(jì)算和調(diào)整，有時(shí)候必須得反過頭來重復(fù)的計(jì)算，以期從理論上使自己的設(shè)計(jì)接近目標(biāo)要求，同時(shí)減少后期電路的調(diào)試工作的麻煩。所以如果有這樣一種工具：能夠快速地在輸入相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)和一些主要元件參數(shù)后，自動計(jì)算出所需其它元器件參數(shù)和電路參數(shù)。那么，它將顯著地提高設(shè)計(jì)的效率，并能滿足多種多樣的設(shè)計(jì)需求。

Excel的強(qiáng)大的函數(shù)功能使得這種繁瑣的計(jì)算、調(diào)整再計(jì)算工作變得簡單可靠。目前，已經(jīng)有一部分工程師或公司使用自己編制的Excel表簡化一些復(fù)雜電路設(shè)計(jì)中的部分參數(shù)計(jì)算和選型過程。文中就以常見的Buck型開關(guān)電源功率級的設(shè)計(jì)為例，利用Excel表簡化我們的設(shè)計(jì)過程。

1 Buck型開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理

Buck電路是DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一種基本的變換電路，通過將較高電壓的直流電周期性的開通和關(guān)斷得到電壓平均值變低的直流電，在經(jīng)過LC濾波電路，是電壓穩(wěn)定，電流連續(xù)平滑。Buck電路功率級有多種，最簡之一如圖1所示。

圖1 Buck型開關(guān)電源功率級原理圖

該功率級電路主要包括：功率開關(guān)管Q1，N溝道MOSFET；二極管CR1，常稱續(xù)流管；電感L和電容C，構(gòu)成輸出濾波電路，其中RC是電容的等效串聯(lián)電阻，RL是電感的等效直流電阻；電阻R作為電路輸出端的負(fù)載。

下面來看一下這些功率級電路中的元器件參數(shù)是如何確定的，即功率級的常用設(shè)計(jì)方式。

2 功率級電路的常用設(shè)計(jì)方式

由分析開關(guān)管的兩個(gè)工作狀態(tài)on和off，對應(yīng)的電感電流IL的變化ΔIL情況可得兩個(gè)公式：

在一個(gè)周期內(nèi)需要維持電路的穩(wěn)定，即需要電感電流連續(xù)，且電感能量儲存和釋放相等。故式1應(yīng)等于式2，化簡得式3：

式3中顯示了輸出VO和輸入VI、占空比D、開關(guān)管通態(tài)壓降VDS、續(xù)流管壓降Vd和電感等效直流電阻的壓降IL*RL之間的數(shù)量。

然而在只有設(shè)計(jì)指標(biāo)VI和VO等要求的前提下難以確定控制驅(qū)動器的占空比D等參數(shù)，所以常用的解決方法是：先忽略（VDS、Vd和RL）小的變量影響，由簡化式VO=VI*D求出D；再計(jì)算輸出電流IO等相關(guān)量，最后再回過頭來考慮被忽略的量和其它參數(shù)，調(diào)整計(jì)算，得到實(shí)際接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的元器件參數(shù)。其過程簡略表述如下：

由IL(average)=IO(式4)

和常用設(shè)計(jì)規(guī)定ΔIL=（5%～10%）IL(式5)

及最小連續(xù)模式臨界電流IO(Critical)= ΔIL/2 (式6)

結(jié)合式1或者式2可得出所需最小電感值：

同樣可忽略部分小變化量簡化計(jì)算，最后再加入其它參數(shù)調(diào)整。也可由化簡式：

得出最小電感值，并預(yù)先保留足夠的裕量。

由連續(xù)模式下電感和電容的能量傳遞可知，電容儲存（釋放）的電荷與電感電荷的釋放（儲存）相等，結(jié)合紋波和截至頻率要求得出最小電容值：

以上得出了主要元器件的部分參數(shù)，但是仍然是還不夠的，比如：電感的儲能（磁飽和）情況和等效直流電阻RL也是必須考慮；電容的等效串聯(lián)電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL；開關(guān)管Q1和續(xù)流管CR1的通態(tài)壓降VDS、Vd等，都是在以上計(jì)算中忽略的小變量，而實(shí)際當(dāng)中是存在的，并影響著電路的穩(wěn)定和功耗等設(shè)計(jì)指標(biāo)，必須考慮，再作相應(yīng)調(diào)整和計(jì)算。

當(dāng)然，這一切對于富有開關(guān)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師來說并不是難事，經(jīng)驗(yàn)的積累使他們能直接給出調(diào)整，選定參數(shù)。然而對于普通設(shè)計(jì)者而言，這樣繁瑣復(fù)雜的計(jì)算必定會影響設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和高效性，Excel工具的出現(xiàn)大大降低了這類工作的難度。

3 利用Excel工具快速計(jì)算電路參數(shù)

圖2 Buck轉(zhuǎn)換器組件計(jì)算工具

如圖2所示是源自TI公司制作的一個(gè)Buck轉(zhuǎn)換器組件（元器件）計(jì)算工具，來自于在TI官網(wǎng)上免費(fèi)工具BUCK-CONVCALC。在使用該Excel工具設(shè)計(jì)降壓開關(guān)電源過程中發(fā)現(xiàn)，日常使用的Excel竟能發(fā)揮如此強(qiáng)大的功能，使設(shè)計(jì)的計(jì)算快速而準(zhǔn)確，顯著提高了設(shè)計(jì)效率。

雖然，Excel界面簡潔，但表格中有較詳細(xì)的英文解釋說明，編輯欄可調(diào)出具體的計(jì)算公式。而且左側(cè)A、B列有原理圖和相應(yīng)的電壓電流波形圖，這對于初學(xué)者和普通設(shè)計(jì)者來說，即直觀地反應(yīng)了原理，又細(xì)致地說明了計(jì)算方法。限于篇幅，只截取了部分表格以作簡要說明。

同時(shí)，它的使用是非常方便的，只需要在陰影區(qū)輸入相關(guān)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)和部分器件參數(shù)，就能實(shí)時(shí)得到所需相應(yīng)元器件參數(shù)。需輸入的指標(biāo)和參數(shù)有：輸出輸入電壓VOUT和VIN，額定輸出電流IOUT，開關(guān)頻率fS，開關(guān)管通態(tài)電阻RDSon，續(xù)流管通態(tài)壓降VF；相應(yīng)自動計(jì)算出很多相關(guān)量，如占空比D，最小電感值L和最小儲能E，最小濾波電容值COUT，以及最后在輸入標(biāo)準(zhǔn)電容參數(shù)后，相應(yīng)的輸出紋波電壓的指標(biāo)，等等。

4 總結(jié)與展望

本文對Buck型開關(guān)電源功率級的常用設(shè)計(jì)過程做了一定說明，論證了常用方法的繁瑣和復(fù)雜。而后提出了一種利用Excel工具的快速設(shè)計(jì)方法，該方法簡單，界面便捷實(shí)用，適合多層次設(shè)計(jì)者使用。不足在于沒有提出如何自主設(shè)計(jì)該類型的Excel工具。

除此之外，更高級的利用Excel工具實(shí)時(shí)調(diào)整波特圖的開關(guān)電源設(shè)計(jì)案例已經(jīng)出現(xiàn)，而且加入了對控制級的設(shè)計(jì)，形成了以控制芯片為核心的開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，LM5117快速入門計(jì)算器就是其中一例。相信國外的這些發(fā)展定會帶給國內(nèi)的學(xué)者和工程師一些思考和啟發(fā)。

[1]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].西安:機(jī)械工業(yè)版社(第5版),2009.

[2]Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies[R].Texas Instruments Literature Number SLVA057,March 1999.