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Buck 电路即降压式 DC-DC 变换器,是一种常用的直流降压变换电路,以下是其工作原理介绍:
基本结构
Buck 电路主要由开关管 Q、二极管 D、电感 L、电容 C 以及负载 R 组成。开关管 Q 通常为功率 MOSFET,用于控制电路的通断;二极管 D 为续流二极管,保证电流的连续性;电感 L 用于储存能量,电容 C 用于滤波,使输出电压更加平滑,负载 R 则是电路的输出端所连接的用电设备。
工作过程
开关管导通阶段:当开关管 Q 导通时,电源 Vin 通过开关管 Q 给电感 L 充电,此时电感电流 iL 逐渐上升,电感两端的电压 VL = Vin - Vout(忽略开关管导通压降)。二极管 D 由于承受反向电压而截止,电容 C 向负载 R 放电,维持输出电压 Vout 基本稳定。在这个阶段,电感 L 储存能量,其能量表达式为,其中 E 为电感储存的能量,L 为电感值,为电感电流。
开关管关断阶段:当开关管 Q 关断时,电感 L 中的电流不能突变,它会试图维持原来的电流方向继续流动。此时电感 L 产生反向电动势,使二极管 D 导通,电感 L 通过二极管 D 向电容 C 和负载 R 释放能量,电感电流 iL 逐渐下降。在这个阶段,电感 L 释放能量,电容 C 被充电,进一步稳定输出电压 Vout。
电压调节原理
Buck 电路的输出电压 Vout 与输入电压 Vin 之间的关系为,其中 D 为开关管 Q 的占空比,,为开关管 Q 的导通时间,T 为开关周期。通过调节开关管 Q 的占空比 D,就可以实现对输出电压 Vout 的调节。当需要降低输出电压时,减小占空比 D;当需要升高输出电压时,增大占空比 D。
例如,当输入电压 Vin = 12V,开关管 Q 的占空比 D = 0.5 时,根据公式可得输出电压 Vout = 0.5×12V = 6V。
纹波分析
在 Buck 电路中,输出电压会存在一定的纹波。主要原因是在开关管导通和关断过程中,电感电流和电容电压的变化不是瞬间完成的。
当开关管导通时,电感电流线性上升,电容充电;开关管关断时,电感电流线性下降,电容放电。由于电容的充放电过程,导致输出电压在一个开关周期内会有微小的波动,形成纹波电压。纹波电压的大小与电感值 L、电容值 C、开关频率 f 以及负载电流 IL 等因素有关。一般来说,增大电感值 L 和电容值 C、提高开关频率 f,可以减小纹波电压。