一種基于Buck拓撲開關電源的研究與應用

王慧鋒 張飛龍 任新杰

1. 廣東美芝制冷設備有限公司 廣東順德 528333；2. 南京航空航天大學 江蘇南京 211100

1 引言

在微型控制器系統(tǒng)中，輸入的直流電壓范圍在35V～65V之間，后級的有源器件供電一般是12V左右。目前微型電控的開關電源一般是基IC的集成方案，但待機時也處于工作狀態(tài)、且內(nèi)部DC/DC斬波效率較低，熱損耗大，成本也比較高。本文提出一種電壓、電流雙閉環(huán)的分立器件開關電源方案。ON/OFF器件采用Rds較低的NMOS，利用主控芯片的外設PWM資源，實現(xiàn)脈寬控制能量的輸出。解決了輸出電壓穩(wěn)定性、帶載能力、無需額外的散熱設計成本，在微型電控領域具有較大的成本、可靠性優(yōu)勢。

2 Buck電路基本原理及控制策略

Buck電路，又稱降壓電路，主要特征是輸出電壓低于輸入電壓，由于其處于高頻開關工作狀態(tài)，故具有效率高，體積小等優(yōu)點。

2.1 基本原理

如圖1所示為基本的Buck降壓電路，主要構成單元為：輸入端電容C1，開關管T1，續(xù)流二極管D1，濾波電感L1，輸出端濾波電容C2。

當開關管T1導通時，電感L1儲能，電感電上升，可得：

當開關管T1關斷時，電感L1釋放能量，通過二極管續(xù)流，電感電流下降，可得：

通過聯(lián)立公式（1）、（2）可得：

其中：D為占空比，T為開關周期，Δi為電流變化量，Uin為輸入電壓，Uo為輸出電壓。

由于電感電流時脈動的，在其直流分量中含有諧波，輸出脈動較大，為了維持輸出電壓的穩(wěn)定，在輸出端并聯(lián)濾波電容，輸出端形成LC濾波電路，來減少輸出電壓的脈動。

2.2 控制策略

此變換器控制方式有多種，可分為電壓控制即電壓單閉環(huán)控制，電流控制即電壓電流雙閉環(huán)控制[1-2]。

電壓控制主要指輸出電壓的反饋控制，電流控制主要指雙閉環(huán)控制，采樣輸出端的電壓得到反饋信號，與給定的電壓形成閉環(huán)，采樣電感電流得到電流反饋信號，與給定的電流形成電流內(nèi)環(huán)控制，對電壓控制的不足進行改進，能夠對電流進行直接控制，提了內(nèi)環(huán)的響應速度，在抗干擾方面也得到提升，這樣加入電流內(nèi)環(huán)抑制了電流的變化，減小電流變化的干擾。

本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

3 參數(shù)設計

為使輸出端電壓穩(wěn)定，電壓脈動滿足系統(tǒng)要求[3]，針對Buck電路的連續(xù)工作狀態(tài)對其基本器件進行設計。主要包括濾波電感L1，輸出濾波電容C2。

當Buck電路電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，此時計算所得的電感值為最小電感值，為了保證電流處于連續(xù)運行狀態(tài)，此時電感取值應大于這個臨界電感值。

占空比的計算：

表1 Buck主要技術參數(shù)

圖1 Buck電路

峰值電流和紋波電流的計算：

電感值的計算：

輸出電容的計算：

Co根據(jù)成本、體積、輸出電壓紋波值來選擇。

在IL大于Io時，電容充電，UC上升，UESR隨IL變化；在IL小于Io時，電容放電。電容一周期電流平均值為0。

在0～0.5T時間內(nèi)，電容上電阻電壓的紋波為：

在0～0.5T時間內(nèi)，電容充放電的電壓變化為：

電容上的總的電壓紋波為：

其中UESR*Co=50～80*0.000001。取50*0.000001帶入式中得到：Co=106uF。實際中取100uF。

4 仿真與實驗驗證

根據(jù)基本原理和控制策略，我們在Simulink中建立了相應的控制系統(tǒng)[4-5]。

結果分析：從圖3的（1）（3）的仿真、實際測試對比分析可以看出，在額定輸出電流0.5A的情況下，輸出電壓可以維持在12V，電壓脈動為0.02V左右；電壓控制精度在1%以內(nèi)。在啟動過程中無超調產(chǎn)生，調節(jié)時間為0.001秒。圖3的（2）（4）表示為寬輸入電壓情況下的輸出電壓波形，初始為35V，然后切換到65V，輸出電壓仍然保持在12V。帶載能力強、可靠性高、輸入電壓范圍寬等特性，且分立方案成本也相對較低。

圖2 電壓電流雙閉環(huán)控制

圖3 實驗驗證結果

5 總結

本文設計的開關電源方案主要應用在微型電控領域，在額定負載、重大負載波動情況下，12V的輸出電壓波動在1%以內(nèi)；啟動調節(jié)時間在1ms左右；同時寬輸入電壓范圍下35V～60V時，12V的輸出電壓誤差為0.05V，故該方案具有