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学生党请教各路大侠,有关BUCK电路的一些问题,希望大侠们能为小弟解惑


  各位大侠,小弟是大二学生党一枚,已经报名参加了2013年的全国电子设计大赛,我和我的队员们打算做电源方面的题目,现在正在学习基于 BUCK 的 DC to DC 电路。可能大侠们认为有问题应该找老师啊,找咱们这些大老爷们干啥?对于这种问题小弟也表示无奈,现在的老师以及叫兽只会忙着捞金做项目评职称,那有那么多时间来指导学生啊~~假期留在学校实验室半个多月了,也没见指导老师过来指导一下过,不指导也罢了,万一获奖了指导老师那里还得填上他的名字。。。。唉。。。。

  话不多说了,咱步入正题,下面就提出我们现在遇到的一些问题及疑问,希望工作在一线的各位大侠能抽空指导一下我们,给予一些帮助,哪怕只是一点点我们都会感激不尽!在这里我谨代表我们团队祝各位工作顺利,万事如意!

  在这之前,我们查阅了很多相关的资料,基本弄懂了BUCK降压的原理,也简单的搭了一下电路来验证,但是错误百出,在这里我把我们的设计过程写出来,请各位大哥们帮忙看一下有什么做的不会的地方。

 设计要求:

  输入12V,输出5V、2A,由MSP430单片机产生频率 F=400KHZ 的PWM(假设MSP430能产生这么高的PWM,如果不行再降低),纹波电压要求50mV,纹波电流为输出电流的0.3即0.6A。

以下是设计过程:

电路图采用典型的BUCK电路:



由以上算的占空比 D=5V/12V=0.416

一、电感的选择:

  L=(Vin-Vout)X占空比 D ÷频率 F÷ 纹波电流=(12-5)X0.416÷400KHZ÷0.6A = 12.12 uH

  假设所使用的电感的 ESR =0.037 Ω 则电感上的损耗 = I^2 X ESR=2A X 0.037 Ω =0.15W

二、输出电容的选择:

  因为纹波电压=纹波电流 X [(ESR+△T)/C + ESL / △T ] ,其中 △T=D/F =0.416 / 400KHZ =1.04 微秒, D为占空比,F为频率

  假设所选取的电容的ESR = 0.03Ω ,ESL = 0 ,算出的 C = 19.5 uF ,故选用 16V 470 uF的电容(也不知道对不对)。

  输出电容的损耗 = 纹波电流 I^2 X ESR = 0.6^2 X 0.03Ω =0.01 W

三、输入电容的选择:

  估算纹波电流(不知道是不是这样叫) ≈ 输出电流 I / 2 = 1A

  允许的最大输入纹波电压 200 mV,假设所选电容的 ESR = 0.12 Ω

  计算所选的 C = △T / [(输入纹波 200 mV /纹波电流 1A)-ESR 0.12 Ω ] =13 uF 

  故选择 16V 470 uF 的电容 ,其损耗 = 1A X 0.12Ω = 0.12W

四、二极管的选择

  估算流过二极管的电流 = [ 1- 占空比  D ] X 输出电流 I  = [1 - 0.416 ] X 2A =1.17 A

  所承受的最大反向电压 = Vin = 12V

  故选择肖特基二极管 1N5820,参数为 20V,3A  其损耗 = 1.17A X 二极管压降 0.4V = 0.47 W

五、场效应管的选择

  选了一个导通电阻Ron为 0.02 Ω 的PMOS

  则导通损耗 = 输出电路 X 导通电阻 X 占空比 = 2^2 X 0.02Ω X 0.416 = 0.033W

  开关损耗 = (公式有点复杂,就不打了)=0.297W

  总损耗  = 0.003 + 0.297 = 0.3 W (根据这个可以算出MOS管的温升 ?)


总效率 = [ 输出功率 5V X 2A = 10 W] ÷ [ 输出功率 10W + 整体电路损耗 1.05W ] = 90.5%


以上设计过程是参考 Microchip 公司的一个PDF文档来设计的,不知道有没有问题?问题出在哪方面?希望大家能指出并解惑,谢谢!


==================== 以  下  是  实  际  制  作  过  程  中  的 疑  问  ================

1、假使使用的是NMOS,如何能保证 MOS 处于开关状态 ?是不是要专用的驱动把G极电压提升到比VCC还高,使得MOS能导通?(自举电路?)

2、根据上面的BUCK原理图能否做出符合要求的DC - DC电路?是否需要加输出反馈电路或者其他辅助电路?

3、假使算出来的电感是35uH,能否使用47uH的电感?100uH的电感呢?对电路有什么影响?

4、测空载时的电压有意义吗?如何保证空载时输出的电压为5V?是要接假负载来实现吗)?

5、。。。。。。

6、。。。。。。

还有很多很多疑问,如果有哪位大侠愿意做我们的“指导老师” ,在空余时间帮我们解惑,请加我的QQ 370710247 ,小弟感激不尽!!

  全国电子设计大赛对于一个大学生来说,只有一次参赛机会,我们不想错过这次机会,我们想拿奖!!!

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2013-07-24 15:19

1、如果是高边驱动NMOS,就是要自举电路将输入电压抬高,可以用专门IC,但也不是必须的

2、上面的原理图是一个基础框架,要稳定输出电压,反馈是必须的,否则由于电感、功率管内阻、功率管占空比丢失等,输出电压会随负载严重变化

3、如果不涉及到环路的问题,比如你把反馈环路带宽调的足够低,电感当然可以比计算值大,这样纹波电流也小,输出电容的损耗也小。但是大的电感限制了电流摆率,整个电路的动态响应就差了

4、开环情况下,测出的空载电压没有意义,带上负载,电压会严重跌落,所以必须闭环

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2013-07-24 16:11

1、如果是NMOS,需要在单片机与NMOS之间加驱动电路,要么使用隔离驱动,要么使用自举电路。使驱动信号接到NMOS的G、S二端之间,才能保证NMOS处于开关状态;

2、对于50mV纹波电压的要求,buck中的二极管反向电压是个频率为400kHz,占空比为0.416,幅值为12V的方波(傅立叶分解计算其基波400kHz的有效值),然后通过电感、电容的LC滤波(计算LC滤波的插入损耗),使输出电压的纹波小于50mV;

对于输出5V的要求,如果只是开环控制,由于MOS有导通电阻、电感的铜线也存在电阻,所以在不同的负载下,输出电压会不同(即空载电压较高,比如5V;满载电压较低,比如4.5V)。

3、电感的感量越大,滤波效果就越好,也就是0.6A纹波电流会减小。

4、如果是开环控制,空载时电压会更高,加假负载可以得到略微改善。要保证在不同的负载下,输出电压均为5V,必须闭环控制,检测输出电压,经过分压后,与基准电压比较,其误差信号经过调节电路,调整占空比,使输出电压稳定在5V(这个控制电路也可用软件实现)。

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2013-07-24 16:31
@rj44444
1、如果是高边驱动NMOS,就是要自举电路将输入电压抬高,可以用专门IC,但也不是必须的2、上面的原理图是一个基础框架,要稳定输出电压,反馈是必须的,否则由于电感、功率管内阻、功率管占空比丢失等,输出电压会随负载严重变化3、如果不涉及到环路的问题,比如你把反馈环路带宽调的足够低,电感当然可以比计算值大,这样纹波电流也小,输出电容的损耗也小。但是大的电感限制了电流摆率,整个电路的动态响应就差了4、开环情况下,测出的空载电压没有意义,带上负载,电压会严重跌落,所以必须闭环
两位学生网友碰到一起了,一个研二,一个大二,电源网的学院理论越来越浓厚了!
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a3711
LV.2
5
2013-07-26 01:07
厉害。输出电感和滤波电容的计算公式是芯片PDF资料上的?
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zzkjim
LV.1
6
2013-07-31 09:42
@a3711
厉害。输出电感和滤波电容的计算公式是芯片PDF资料上的?
新人请教:电感量越大,是不是它的动态响应会差呢?滤波电容大的话,会有什么影响?
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2013-07-31 10:59
@zzkjim
新人请教:电感量越大,是不是它的动态响应会差呢?滤波电容大的话,会有什么影响?
理论上来说是这样,但是电感量只是影响环路的一个因素,动态快不快就多取决于环路补偿设计。
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