buck电路图(buck电路图及其原理)_1

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12V –> 5, 0.5A

考虑到USB 5V输出的保护问题,后面会在USB 5V输出端串一个可恢复保险丝,但是这个保险丝有压降,所以就需要做一个BUCK电路输出5V电压,这里采用的是分立元件搭建的 12V转5V的BUCK电路。

Buck伏秒平衡推导

由于前面已经把Boost伏秒平衡都推导过了一遍,那么Buck电路的思路其实也是一样,下面就把Buck的核心推导思路讲一遍。下面这幅图是Buck电路的拓扑结构,一起来分析一下。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

如上图所示,当开关闭合on时,此时Vin给电感充电的同时,也在给电容和负载提供能量;当开关断开off时,此时电感放电,并且电感给电容充电的同时也在给负载提供能量。

我们知道,之所以输出电压Vo能达到平衡,是因为电感的充电电流=放电电流。那么,我们知道电感的电流与感量的关系:

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

电感充电时,Δt为ton;电感放电时,Δt为toff。

同样的,我们再来分别分析ton和toff期间,电感两端的电压。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

电感量公式推导

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

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PWM发生电路

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

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根据上面的公式初步计算出匹配电阻和电容。通过计算可以知道,三角波的低阈值是3.371V,高阈值是7.014V,三角波的频率是59KHz。当然,由于电阻和电容的误差,特别是电容有20%的误差,最终要以实测为准。同时,根据上面的公式计算出来的电感量,选择100uH的感量。另外,这是在输出Io达到0.5A*0.5=0.25A的时候,电感工作进入BCM临界连续模式。由于Io=0.25A时,电感进入BCM模式,所以ΔI/2=0.125A。那么当输出Io=0.5A时,Ipk=Io+ΔI/2=0.625A(这里的公式会在后面详细给推导)。所以我们在电感选型时,可以选用稍大一点的100uH 1A的贴片功率电感。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

同时,需要有一个欠压保护电路,低于7.8V时,MOS管驱动电路断电,从而保护MOS管。这是由于MOS管是高电平关断,所以如果这个高电平低于阈值时,会关不了,容易造成损坏。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

电流环是带有自锁功能的,防止由于过流出现频繁开关的状态。基本原理就是,当电路出现过流时,采样电阻两端的电压使得Q7 管导通,从而使得Q8导通。然后左边的自锁电路由于Q8的C极是低电平,所以Q9就会导通;当Q9导通了之后,Q10的基极就会有电流,让Q10导通;Q10的导通把Q8的C极给钳位住了,同时也把比较器6脚的直流电平信号拉低,让比较器输出高,MOS管关断。只有重新断电再上电,电路才能复位,正常工作。

最终,12V转5V的BUCK完整电路如下图所示:

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

12V转5V的分立BUCK电路,由于输出电压只有5V,不能用N-MOS管+自举电容的方式来设计,所以,这里采用的是P-MOS管,但需要注意推挽的输出逻辑,当推挽输出高电平时,对应的是P-MOS管的关断。整体思路就是:用滞回比较器做一个三角波发生器,然后和直流电平相互比较产生方波,用这个方波驱动MOS管,当然中间需要加一个推挽来提高MOS管的驱动能力。

此BUCK电路也有TL431设计的精密的电压环,将输出电位控制在5V。TL431的K极接到比较器的直流电压端输入6脚,通过改变TL431的内阻,与R17进行分压,来实现6脚直流电平的调节,从而实现占空比的调节,让输出电压稳定在5V。

精密TL431工作原理

当VCC电源刚刚建立起来时,通过R17让TL431达到最小工作电流。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

那么,随着输出电压逐步的升高,当电压上升到比如5.002V时,经过电阻分压后的电位是2.501V,也就是说误差放大器的输入端的压差是0.001V。假设TL431的误差放大倍数是1000倍,那么,压差经过放大后是1V,这个1V来驱动三极管的B极,让三极管CE导通。当然,误差放大器从0V到1V之间肯定有一个变化的过程,也就是说,随着误差放大器输出端的电位在0V~1V之间变化时,431内部三极管的CE内阻也在慢慢变小。

当431内部三极管CE内阻变小后,与R17电阻进行分压,使得比较器6脚的直流电平降低,减小占空比,从而实现输出电压的调节。

由于误差放大器的放大倍数很大,只要输出电压高于5V一丁点,就能让TL431内部等效阻抗减小,实现调节,稳定在5V。另外,这里需要注意的是,TL31的最小工作电流是1mA,在设计电路时,要保证TL431的最小工作电流至少在1mA。

buck电路图(buck电路图及其原理)_1

在LDO电路中的C22电容是起到微分调节的作用。假设没有这颗电容,当负载突变的时候,比如说输出电压陡然减小,此时TL431的内阻也会随之陡然增大,比较器6脚的直流电平会快速升高,造成超调,让占空比增大的过快,继而输出电压会过大。如此往复周而复始,输出电压纹波就会很大。但是电路有由于有了C22微分调节电容的存在,当负载发生突变时,由于电容两端的电压不能突变,电容的电位会有一个缓慢的斜率,所以,TL431的内阻的变化不会那么激烈,起到微分调节的作用。(后面会专门针对硬件PID进行讲解)

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