【48812】【硬件工程师书面考试面试必考题】BUCK电源作业原理及电源纹波剖析

  浏览量2024-04-18 作者: 半导体功率

  DC-DC电源常识是硬件工程师书面考试面试中必考内容,本文具体解说DC-DC的根本拓扑结构之BUCK电源。

  DC-DC电源,即直流-直流变换器,是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,也称为直流斩波器。DC-DC有多种拓扑结构,如BUCK(降压)、BOOST(升压)、BUCK-BOOST(升降压)三大根本拓扑结构。其间BUCK电源即降压电源,完成降压输出,BUCK电源电路根本结构如下图所示:

  电感在储能和释能转化时,电感的正负极会发生反向。流经电感的电流不能骤变,只能逐渐变大或变小。

  具有充放电功用,电容器两头电压高于外部电路电压时放电,反之充电。电容充放电不会发生正负极的反向。

  具有单导游电性,电流只能单向流过。在BUCK电路中,二极管D形成了续流回路,因而D也叫作续流二极管。

  一般经过PWM波“定频调宽”或PFM波“定宽调频”两种办法来操控开关管的导通与关断。常用PWM波操控,本文所述为PWM操控开关管的通断。

  当PWM波操控开关管S导通时,图中赤色回路为开关管导通时的回路。此刻有下式建立:

  电流开端从左面的电源Vin正极流出,流向负极。电流流经续流二极管D的负极不能经过,持续前进流经电感L,电感L将电能转化为磁能贮存,电流持续前进流经电容C,电容C充电,电流持续流过负载R,回到电源Vin负极,整个电路晓畅,输出端负载正常作业。

  此刻电感L的作业状况:此周期电感是左正右负,因为流过电感L的电流不能骤变,所以负载R的电压是逐渐增大的。

  当PWM波操控开关管S关断时,图中赤色回路为开关管关断时的回路。此刻有下式建立:

  当开关管S关断,电源Vin不再供电,电感L贮存的磁能转化为电能开释,此刻电感L的正负极反向(变成左负右正),电感L变成了电路里的电源。因为电流永远是从正极流向负极,所以形成了图中所示赤色回路。此刻续流二极管D正导游通,电感L开释的电流会逐渐由大变小。

  电容C的作用:当开关管S关断,电感L不能及时给负载R供电,此刻电容C立马放电给负载R供电,电容C可以更好的起到有用按捺电源纹波的作用。

  从上式推导中可知V_{out}=DV_{in},其间D为PWM波的占空比,占空比D的取值在0~1之间 ,因而完成了降压,这便是斩波完成降压的原理,可以终究靠改动PWM波的占空比D来操控降压的巨细,如占空比为50%,则V_{out}=0.5V_{in},即完成了输出比输入小一半,也便是降压了一半。

  平等条件下,LDO的体积更大。因为LDO的转化率更低,耗散功率更大,所以发热量更大,因而在规划时会考虑散热问题,所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。

  跟着开关管S的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有用值上下动摇的。所以在输出端也会呈现一个与开关管S开关频率同频率的纹波,一般所说的纹波便是指这个,它与输出电容的容量和ESR有联系,纹波频率一般为几十到几百kHz。

  简略来说,一般所以为的纹波发生的终究究的原因便是因为开关管S的通断进程导致电源发生动摇,其频率等于开关管S的开关频率。

  一般设置为20MHz,滤除电源的高频噪声成分,丈量得到的纹波愈加精准。

  恰当调整水平常基、笔直档位、和笔直偏移,让纹波适宜的显现在示波器的中心方位。

  可以运用示波器的Measure功用主动丈量纹波峰峰值和频率。也可运用笔直光标手动丈量纹波峰峰值和频率。

  依据开关电源的公式,电感内电流动摇巨细和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值能减小纹波。一般的做法,关于输出电容,运用铝电解电容以到达大容量的意图。可是电解电容在按捺高频噪声方面作用不是很好,并且ESR也比较大,所以会在它周围并联一个陶瓷电容,来补偿铝电解电容的缺乏。

  LC滤波器对纹波的按捺作用清楚明了,依据要除掉的纹波频率挑选正真合适的电感电容构成LC滤波电路,一般可以很好的减小纹波。

  电源纹波的按捺办法许多,但每种办法都有它本身的优缺点,所以在规划时需求归纳考量。

  特别是应届毕业生求职时,硬件岗大概率(99%)会查核DC-DC相关常识,本期给我们伙儿一起来共享的仅仅DC-DC三大根本拓扑结构中的BUCK(降压)电源,关于BUCK电源,应届毕业生求职把握本文内容就足够了。

  此外DC-DC还有BOOST电源(升压)和BUCK-BOOST电源(升降压)两大拓扑结构。

  本文暂时先把BOOST电源(升压)和BUCK-BOOST电源(升降压)两大拓扑结构的根本电路及原理公式给我们放在下方,供我们触类旁通,学以致用。

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