BUCK電路分析(二)

PSIM仿真同步BUCK電路

在上片文章中，初步的分析了BUCK電路的工作原理。本章使用PSIM軟件仿真BUCK電路，觀察分析BUCK電路器件關(guān)鍵波形。圖1是同步BUCK電路圖，開關(guān)頻率設(shè)置為200K ，固定占空比。在仿真一段時(shí)間、電路工作穩(wěn)定之后，觀察分析波形。

圖1 同步BUCK電路

圖2 PWM波形

如圖2所示，AMP是斜坡發(fā)生器的波形，PWMH是上橋臂MOS Q1的驅(qū)動(dòng)波形，PWML是下橋臂MOS Q2的驅(qū)動(dòng)波形;I(L1)是電感電流波形;可以看到PWMH 和PWML都存在一小段時(shí)間同時(shí)為低的情況，該時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。 同時(shí)可以看到在PWMH為高，PWML為低時(shí)，上管MOS Q1 開通，下管Q2截止，電感電流上升;在PWMH為低，PWML為高時(shí)，上管MOS Q1 截止，下管Q2開通，電感電流下降。

由于是同步BUCK電路;電流一直是有的，圖中電感電流的平均值大于零，圖中電感電流的波形與異步BUCK電路進(jìn)入了連續(xù)電流模式(CCM)時(shí)的波形是一樣的，不同的是由于同步BUCK電路下管是MOS 電流是可以倒流的，所以在同步BUCK電路輕載、空載時(shí)，電感電流可以是負(fù)的 也就輸出電容流出電流;而在異步BUCK電路中，BUCK電路輕載、空載時(shí) 電感電流減少到零之后，二極管截止了 電流就不能倒流，電流就為零，電路進(jìn)入了不連續(xù)電流模式(DCM)，

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圖 3 MOS Q1 電流電壓波形

如圖3所示，I(Q1)是流過MOS Q1 的電流的波形， VQ1是MOS Q1 的 Vds 波形。在PWMH為高，PWML為低時(shí)，上管MOS Q1 開通，下管Q2截止，電感電流上升;流過MOS Q1 的電流也是上升的。I(Q1)的波形可以看作是電感電流波形的一部分。一般情況，BUCK電路采用峰值電流控制模式時(shí)，需要采樣上管MOS Q1的電流 也就是 I(Q1);可通過電流互感器來采樣。在PWMH為高，PWML為低時(shí)，上管MOS Q1 開通，MOS的Vds電壓下降 如波形VQ1所示。

圖4 下管 MOS Q2 電壓、 電流波形

如圖4所示，I(Q2)是流過MOS Q2 的電流的波形， VQ2是MOS Q2 的 Vds 波形。需要特別注意的是，圖中顯示的I(Q2)電流波形與教科書或者其他資料流過續(xù)流二極管的波形有所不同，這是因?yàn)殡娏鲄⒖挤较虿煌鸬?。將圖中的波形沿著X軸上翻 就得到了書本中的波形。同時(shí)如果要采樣下管的電流波形也需要注意電流方向的問題。

圖5 電感L 電流、電壓波形

如圖5所示、I(L1)是電感電流波形;VL是電感兩端的電壓波形;Vout是輸出電壓波形，從波形可以看到 輸出電壓是18.9V左右，波形包含了0.03V峰峰值的紋波。 從波形上看，在PWMH為高，Q1開通時(shí) 加在電感上的電壓是約29V，上一章分析了伏秒積平衡，電感電流的增加量需要等于減少量。通過電感電壓波形也是可以驗(yàn)證的。

在PWMH為低，Q2開通，Q1截止了時(shí)，加在電感上的電壓是輸出電容的電壓：

通過波形可以計(jì)算 在PWMH為高是與PWMH為低時(shí)，電感電壓波與時(shí)間軸圍成的面積，是相等的。也即伏秒積相等。

圖 6

圖 7 輸出電容 的電流波形

如圖7所示，I(C2) 是輸出電容的電流波形。在電感電流上升期間 ，有電流入輸出電容為電容充電。

PSIM仿真異步BUCK電路

圖8 異步BUCK電路

如圖 8所示，為異步BUCK電路圖，與同步BUCK電路的不同在于，異步BUCK電路使用功率二極管D1 作為續(xù)流二極管。開關(guān)頻率設(shè)置為200K ，固定占空比。 以下將觀察分析異步BUCK電路的波形并對(duì)比同步BUCK電路的波形、了解其不同之處。

圖9 異步BUCK電路 電流連續(xù)模式下的波形

圖9所示，AMP是斜坡發(fā)生器的波形，PWMH是上橋臂MOS Q1的驅(qū)動(dòng)波形，I(L1)是電感電流波形; I(Q1)是 MOS Q1的電流波形;對(duì)比圖2可以看出，在電感電流不過零的情況下;同步BUCK電路與異步BUCK電路的 電感電流波形 和 MOS Q1的電流波是相同的。

圖10 異步BUCK電路 電流連續(xù)模式下的波形

如圖10所示，I(D1) 是續(xù)流二極管的電流波形。對(duì)比圖4同步BUCK電路流過下管的電流波形，可以看出。他們的波形是關(guān)于X軸對(duì)稱的，這是由于電流參考方向不引起的。

圖 11 VQ1 MOS Q1 的Vds 波形

圖 12 VD1 續(xù)流二極管電壓波形

圖12 所以 VD1 是續(xù)流二極管的電壓波形;在實(shí)際電路中測量的續(xù)流二極管電壓波形與圖中的波形可能有較大的不同，這是因?yàn)樾蛄卸O管的結(jié)電容以及它寄生電感電容參數(shù)引起的。

圖13 異步BUCK電路 輸出電壓波形和輸出電容的電流波形

如圖13所示，Vout為輸出電壓波形 電壓為23.70V左右，并包含有紋波電壓。異步BUCK電路輸出電壓波形與同步BUCK電路 在電感電流不過零的情況下，是相同的。

同步BUCK電路與異步BUCK電路，輕載或者空載之下，電感電流的對(duì)比

圖14 異步BUCK電路 不連續(xù)電流模式(DCM)波形

如圖14 所示、電感電流I(L1) 在 PWMH為低期間，在下一個(gè)周期PWM為高之前;電感電流降低到零;電流不連續(xù)，進(jìn)入DCM工作模式。

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圖15 同步BUCK電路 輕載下 電感電流波形

如圖15所示 同步BUCK電路，在輕載時(shí)的電流波形 I(L1); 電流在減小到零之后，電流反相增大;這是因?yàn)殡姼写鎯?chǔ)的能量釋放完，電感電流降低到零之后，下一個(gè)周期的PWMH高還沒有到來， 下管MOS Q2 還導(dǎo)通著，這時(shí)輸出電容就會(huì)通過電感 MOS Q2 放電，電流倒流。而在非同步BUCK電路中，電感電流減小到零之后續(xù)流二極管截止了;不像同步BUCK電路中MOS Q2那樣電流可以倒流，所以其電感會(huì)有一段時(shí)間沒有電流流過，電路進(jìn)入斷續(xù)工作模式。在同步BUCK電路中，由于MOS Q2那樣電流可以倒流，在整個(gè)周期內(nèi)電感都是有電流流過的，同步BUCK電路所以是不存在電流斷續(xù)的轉(zhuǎn)態(tài)。電流斷續(xù)模式(DCM)是針對(duì)非同步BUCK電路而言的。

圖16 異步BUCK電路 臨界電流模式(BCM) 電感電流波形

如圖16所示 異步BUCK電路，在輕載時(shí)的電流波形 I(L1); 在PWMH為低 MOS Q1 關(guān)斷 ，續(xù)流二極管D1續(xù)流，在電感電流減小到零時(shí)時(shí)，下一個(gè)周期的PWMH高剛好到來，電感再次上升。此時(shí)電路就進(jìn)入了臨界電流模式(BCM)。