buck電路參數(shù)選擇原理和計(jì)算

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1、第三章Buck電路參數(shù)選擇原理和計(jì)算3.1參數(shù)選擇原理在Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設(shè)計(jì)原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過(guò)，抑制輸出電壓的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量通過(guò)。但是，構(gòu)建一個(gè)能夠讓直流分量通過(guò)而且完全濾除開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中至少有一小部分是由于開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波。因此，輸出電壓波形事實(shí)上如圖3.1所示，可以表達(dá)為（3.1）圖3.1輸出電壓波形所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量加少量的交流分量所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開(kāi)關(guān)諧波所產(chǎn)生。由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開(kāi)關(guān)紋

2、波應(yīng)很小。所以，通?？梢约僭O(shè)開(kāi)關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量，即（3.2）因此，輸出電壓近似為直流分量，而忽略其小紋波成分，即（3.4）上述近似稱為小紋波近似，或稱線性紋波近似，可大大簡(jiǎn)化變換器波形的分析。下面分析電感電流波形，進(jìn)而得出電感的計(jì)算公式。通過(guò)電感電壓波形的積分可以得到電感電流。開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，電感在左側(cè)與輸入電壓相連，電路簡(jiǎn)化為下圖3.1（a）。電感電壓為（3.5）（a）（b）圖3.1如上所述，輸出電壓為其直流分量加小的交流紋波成分。采用小紋波近似，式（3.4）中的用其直流分量代替，得到（3.6）開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，電感電壓等于，如圖3.1（b）所示。電感電壓方程為（3.7）在第

3、一個(gè)子區(qū)間，由上式可以解得電感電流波形的斜率為（3.8）由于開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，電感電壓近似為常量，因此電感電流的變化率也近似為常數(shù)，電感電流線性上升。當(dāng)在第二個(gè)子區(qū)間，開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)，電感的左端與參考地相連，簡(jiǎn)化電路如圖3.1（b）所示。所以，在第二個(gè)子區(qū)間，電感電壓為（3.9）采用小紋波近似式（3.4）得到（3.10）所以，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)的電感電壓為常量，如圖3.1（b）所示。將式（3.10）代入式（3.7）中，得到電感電流的斜率為（3.11）因此，在第二個(gè)子區(qū)間，電感電流的變化率為一負(fù)的常量?，F(xiàn)在，電感電流的波形如下圖所示，電感電流從初始值開(kāi)始。在第一個(gè)子區(qū)間開(kāi)關(guān)處于位置1時(shí)，電

4、感電流以式（28）所給出的斜率上升。在時(shí)刻，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至位置2.然后電感電流以式（3.11）所給出的斜率下降。在時(shí)刻，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)回位置1，以下過(guò)程重復(fù)。下面計(jì)算電感電流紋波。下圖3.2所示，電感電流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的紋波。此峰值電流不僅流過(guò)電感，而且流過(guò)半導(dǎo)體器件。當(dāng)確定這些器件的參數(shù)時(shí)，需要知道峰值電流。圖3.2電感電流已知在第一個(gè)子區(qū)間中的電感電流流的斜率和第一個(gè)子區(qū)間的長(zhǎng)度，可以計(jì)算其紋波幅值，的波形關(guān)于I對(duì)稱，因此在第一個(gè)子區(qū)間中的電流上升（是紋波峰值，因此紋波峰值為）。所以的變化量=斜率子區(qū)間長(zhǎng)度電感電流的紋波為（3.12）的典型值是在滿載時(shí)的直流分量I的10%~2

5、0%。不希望太大，否則增大流過(guò)電感和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的電流峰值，從而將增加功率損耗和體積?？梢酝ㄟ^(guò)選擇合適的電感值來(lái)得到所希望的電流紋波。由式（3.12）得到（3.13）通常式（3.13）被用來(lái)選擇Buck變換器的電感值。把（3.14）式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到（3.14）其中為Buck電路最大占空比，，為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，為最大輸出電流，為輸入電壓。3.2電感值的計(jì)算因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率對(duì)DC-DC電路變換的效率影響非常大。如果太高，可以使充電電感和濾波電容體積減小，但是充電電感的渦流損耗，磁滯損耗及其其他元件的分別參數(shù)的影響加大造成的其他元件損耗加大。如果太低，充電電感，濾波電容的體積太大，在保證充電電

6、感量的前提下，線圈匝數(shù)真多，銅損耗加大。綜合考慮各種因素，這里設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，則根據(jù)UC3843技術(shù)說(shuō)明，可以求得震蕩電阻為47K，震蕩電容為1000pF。對(duì)于最大占空比，參考UC3843技術(shù)說(shuō)明，選擇（因?yàn)樨?fù)載可變，輸出電壓也是可變的，所以這里選取UC3843的最大占空比，是負(fù)載可變范圍加大），而最大輸出電流，，，從而可以得到3.3濾波電容的計(jì)算而關(guān)于濾波電容的選擇，電容需要濾掉主要的開(kāi)關(guān)紋波，選擇電容C足夠大，以使開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的電容值阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗R，因此幾乎所有的電感電流紋波流經(jīng)電容，而流經(jīng)負(fù)載電阻阻抗R的紋波非常小，電容電流波形等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸

7、出濾波電容的選取決定了輸出紋波電壓，紋波電壓與電容的等效的串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容的紋波電流要大于電路中的紋波電流。這里選取兩個(gè)470uf/16V的電容并聯(lián)，這樣就可以降低了等效的串聯(lián)電阻。3.4關(guān)于采樣電阻的選用最后采樣電路，為了避免當(dāng)通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電阻發(fā)熱，電阻的阻值變大，引起誤差，請(qǐng)我們選取4個(gè)的電阻。兩兩并聯(lián)，再串聯(lián)起來(lái)，有效的減小電阻發(fā)熱多測(cè)量的影響。