電子設(shè)計(jì)競賽電源題(4)-Buck與Boost電路
? ? ? 小編做電賽題的時(shí)候第一個(gè)電路就是做BUCK電路，還記得那是16年的寒假，學(xué)長給我們布置了任務(wù)說寒假在家好好看看開關(guān)電源的知識(shí)，搞懂什么是BUCK、BOOST電路。最開始對(duì)電源題一點(diǎn)概念都沒有，不知道為啥我們參加比賽要“做題”，電賽做題難道是在試卷上答題嗎？現(xiàn)在看來真的很搞笑。不過學(xué)習(xí)就是這樣的，一個(gè)新的東西你不知道為啥這樣做，但是你就跟它搞慢慢的就搞懂了,要學(xué)會(huì)反向?qū)W習(xí)。
? ? ? ?說白了BUCK電路就是降壓電路，這個(gè)降壓電路不是買一個(gè)降壓的模塊，或者用一個(gè)降壓芯片實(shí)現(xiàn)的，而是通過開關(guān)管和單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。同理BOOST電路就是升壓電路，這個(gè)升壓電路也不是買一個(gè)升壓模塊，或者用一個(gè)升壓芯片實(shí)現(xiàn)的，而是通過開關(guān)管和單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。
? ? ? ?那么如何通過開關(guān)管和單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)升壓和降壓呢？這就是我們要研究的主要內(nèi)容，用哪種的開關(guān)管、用哪一款的單片機(jī)、用啥樣的電路板、多大的電感？先說開關(guān)電源再說BUCK最后再說BOOST。
一、開關(guān)電源基本原理
1.1 ?簡介
??在大多數(shù)人的眼中，直流電源用來提供持續(xù)的電流、恒定的電壓，那么電能在電源（或電壓轉(zhuǎn)換器）的輸入端與輸出端一定是連續(xù)傳輸?shù)?，在電源?nèi)部的轉(zhuǎn)換過程也一定是連續(xù)流動(dòng)的。對(duì)于線性穩(wěn)壓電源來說是這樣，但是對(duì)于當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的開關(guān)電源來說并不是這樣。在開關(guān)電源的內(nèi)部，能量被分割成間斷的小份，系統(tǒng)將這些小份的能量依次從輸入端“搬運(yùn)”到輸出端，再經(jīng)過平滑濾波后以直流形式輸出。開關(guān)電源之所以有這樣看似“多此一舉”的特性，是與它所實(shí)現(xiàn)的功能密不可分的。
??線性穩(wěn)壓電源對(duì)能量的處理是連續(xù)的，但是它有兩個(gè)缺點(diǎn)：只能實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換效率低。當(dāng)我們需要升壓變換，或產(chǎn)生負(fù)電壓，或高效率（或大功率）電源時(shí)，線性電源就變得不可用了。開關(guān)電源巧妙地利用了電感和電容兩個(gè)無源元件的儲(chǔ)能特性，又使用了快速的開關(guān)器件使直流電的轉(zhuǎn)換更加自由、高效。
??脈沖方式的電壓變換電路可以分為兩部分。 一部分為脈沖控制器，根據(jù)輸出電壓的變化產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制調(diào)整管的導(dǎo)通與截止時(shí)間。控制方式可以分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。另一部分則是對(duì)應(yīng)的DC-DC電壓變換器，其功能即是在脈沖控制器的控制信號(hào)作用下，將不穩(wěn)定的直流電壓變換為穩(wěn)定的直流電壓輸出。按照輸出是否由調(diào)整元件等構(gòu)成的其他部分隔離，可分為非隔離型和隔離型；按照開關(guān)元件的激勵(lì)方式，可分為自激式和它激式；按照調(diào)整管在直流變換器中的位置不同可分為串聯(lián)型(降壓斬波式)、并聯(lián)型(升壓式斬波型式)以及極性反轉(zhuǎn)式開關(guān)穩(wěn)壓器。
1.2 ?脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）
??脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。PWM的產(chǎn)生一般采用直流電壓與內(nèi)部鋸齒波比較生成所需PWM波，如圖所示。
1.3? 拓?fù)湟约把苌負(fù)?/span>
??所謂“拓?fù)洹本褪歉鱾€(gè)關(guān)鍵器件之間的連接關(guān)系。開關(guān)電源中的關(guān)鍵器件是電感、電容和開關(guān)器件(一般為MOS管、二極管)，這三種器件之間的連接關(guān)系決定了電路所實(shí)現(xiàn)的功能。
??最基本的開關(guān)電源拓?fù)溆校?br>??1.升壓拓?fù)?BOOST)：又叫升壓斬波器，輸出電壓大于輸入電壓，極性相同。
??2.降壓拓?fù)?BUCK)：又叫降壓斬波器，輸出電壓小于輸入電壓，極性相同。
??3.升/降壓拓?fù)?BUCK-BOOST)：又叫升/降壓斬波器，輸出電壓大于或者小于輸入電壓，極性相反。
??由這三種基本拓?fù)淇梢耘缮龆喾N拓?fù)?，如Flyback(反激)，F(xiàn)orward(正激)，CUK，半橋，全橋等等。在電子設(shè)計(jì)大賽的題目中曾出現(xiàn)過Flyback(反激)變換器的設(shè)計(jì)，另外全橋和半橋也是我們經(jīng)常會(huì)用到的拓?fù)洹?/p>
二、BUCK壓型開關(guān)電源
2.1 ?BUCK電路原理
BUCK也是開關(guān)電源中常用的拓?fù)?，它具有降壓功能。其工作過程介紹如下：
??當(dāng)三極管或者M(jìn)OS管輸入的波形為高電平時(shí)，三極管或者M(jìn)OS管Q導(dǎo)通，二極管截止，儲(chǔ)能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時(shí)給電容C充電，給負(fù)載提供能量。當(dāng)三極管或者M(jìn)OS管輸入的波形為低電平時(shí)，三極管或者M(jìn)OS管Q關(guān)閉，二極管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C放電以及減小的電感電流維持，降壓完成。
BUCK電路原理圖
2.2? 設(shè)計(jì)技巧
??對(duì)于BUCK電路，過高的峰值電流是需要考慮的，可能導(dǎo)致開關(guān)波形出現(xiàn)較大的振鈴而使得MOS管燒壞。所以在布局設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先還是確定主電路回路，堅(jiān)持短而粗的原則。一般做BUCK電路的題目，都會(huì)是比較高精度的，所以對(duì)于電路硬性噪聲的控制必須要把握好。幾點(diǎn)需要考慮：
??主電路是否需要對(duì)EMI加以控制：在合適的地方放置磁珠，MOS管應(yīng)該平放在PCB上，單片機(jī)控制器盡可能和電感，MOS管等隔離。
??采樣電路：對(duì)于BUCK電路，一般會(huì)要求高精度，所以我們首先要選取高精度的AD，一般必須得14位以上，選用采樣電阻方案一般是可行的，采樣電阻要盡可能粗，體檢計(jì)算好他的損耗，確保在在效率要求范圍之內(nèi)。粗的采樣電阻意味著采樣范圍就小，所以一般我們會(huì)用一個(gè)高精度運(yùn)放放大器去信號(hào)放大，同時(shí)也可以起到一定的隔離作用。
??單片機(jī)控制回路：對(duì)于數(shù)字電路部分，一定要注意保證電流不會(huì)回流，回流可能會(huì)發(fā)生在調(diào)試的時(shí)候控制波形出現(xiàn)問題，這樣就可能燒壞單片機(jī)IO口，所以隔離器還是建議添加的。對(duì)于單片機(jī)接在主回路上的5V或者3.3V電壓口，必須嚴(yán)格去耦，推薦10uf的鉭電容加上0.1uf的陶瓷電容，可以有效減小噪聲。
三、BOOST壓型開關(guān)電源設(shè)計(jì)
3.1 ?BOOST電路原理
??BOOST電路是開關(guān)電源拓?fù)涞幕就負(fù)渲?，是最能代表開關(guān)電源特性的拓?fù)洹?br>
??Boost電路的工作原理分為充電和放電兩個(gè)部分來說明：
??在充電過程中，開關(guān)閉合(三極管或者M(jìn)OS管導(dǎo)通)，這時(shí)輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。負(fù)載由電容C供電，隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。
??在放電過程中，開關(guān)斷開(三極管或者M(jìn)OS管)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。電感電勢(shì)與輸入電壓疊加，迫使二極管D導(dǎo)通，一起向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容C充電，升壓完畢。
?? 升壓過程就是一個(gè)電感的能量傳遞過程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如果這個(gè)通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
BOOST電路原理圖
3.2 ?功率器件選型
1、MOS管
??MOS管是開關(guān)電源中唯一的有源元件，在對(duì)其選擇時(shí)需要首先考慮耐受程度的問題，即開通時(shí)的最大漏極電流ID和關(guān)斷時(shí)的最大漏源電壓Vds。在BOOST電路和BUCK電路中，MOS管上流經(jīng)的最大平均電流就是電感平均電流IL；在BOOST電路中MOS管承受的最大電壓是輸出電壓Vo與二極管導(dǎo)通壓降之和，BUCK電路中MOS管承受的最大電壓是輸入電壓Vin與二極管導(dǎo)通壓降之和。
??其次需要考慮其開關(guān)速度問題。如果開關(guān)頻率較高或?qū)π室筝^高，則應(yīng)選擇開關(guān)速度快的MOS管。
??BOOST電路和BUCK電路還可改進(jìn)成同步整流型，即將原來電路中的二極管換成MOS管，在工作時(shí)使兩個(gè)MOS管交替導(dǎo)通，可以改善因二極管導(dǎo)通壓降較大帶來的效率低的問題。處理得當(dāng)?shù)耐秸麟娐房梢赃_(dá)到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一個(gè)MOS管也需要考慮耐受程度和開關(guān)速度等問題，控制電路還需適當(dāng)加入死區(qū)，保證任何時(shí)刻兩個(gè)MOS管至多只能有一個(gè)導(dǎo)通。
2、電感
??電感值的確定是電感選型的關(guān)鍵。流經(jīng)電感的電流一般都只有兩種狀態(tài)，上升和下降。我們選擇的電感值應(yīng)保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流的變化量 不超過電流平均值的0.3～0.5倍，即
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3、二極管
??非同步整流型電路中需要使用二極管。在選型時(shí)也需要考慮兩方面：耐受能力和速度。包括二極管的反向耐壓、正向最大電流以及反向恢復(fù)時(shí)間等等。一般來說大功率肖特基二極管是比較好的選擇，它具有較低的導(dǎo)通壓降、較大的最大正向電流以及極短的反向恢復(fù)時(shí)間。它的反向擊穿電壓較低(100V左右)，在某些電路中可能不適用。
4、電容
??在BOOST電路中要求電容有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，故應(yīng)盡量選擇大電容（一般來說輸出電壓在幾十伏左右的應(yīng)用可選擇幾千uF至10000uF）。而BUCK電路中對(duì)電容的要求相對(duì)弱一些，只需要滿足濾波器的濾波效果即可。BOOST和BUCK電路中的電容也不可選得過大，可能會(huì)造成電壓調(diào)節(jié)時(shí)電路反應(yīng)慢的問題。
??開關(guān)電源中電容都要作為儲(chǔ)能元件，不允許有過多的電能損耗。故儲(chǔ)能電容要選擇低漏電、低ESR的電解電容。開關(guān)電源中一般會(huì)有比較大的紋波，所以電容的耐壓值還應(yīng)留有30%-50%的裕量。
2.3 ?設(shè)計(jì)技巧
??在電子設(shè)計(jì)大賽的過程中，我們所設(shè)計(jì)的BOOST電路一般都是基于萬用板或者是PCB，關(guān)注點(diǎn)大多集中在指標(biāo)和熱穩(wěn)定性，電磁穩(wěn)定性等。相當(dāng)于是工業(yè)級(jí)電源系統(tǒng)的簡化版。
??我們知道對(duì)于BOOST電路需要在最惡劣的情況下(電感電流峰值)的條件下選擇器件，而電路布局同樣要在略高于最惡劣的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。
??對(duì)于電子設(shè)計(jì)競賽的電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，宏觀上我們主要考慮兩個(gè)回路：大電流回路和信號(hào)回路。大電流回路也就是你的電源系統(tǒng)會(huì)流過大電流的線，在BOOST電源中，BOOST主回路都將是大電流回路（如下）：
??在設(shè)計(jì)這個(gè)主回路的時(shí)候，我們就需要考慮所用錫線的電阻率和發(fā)熱情況，一般來說對(duì)于2A以上的電流線，我們一般采用2個(gè)萬用板洞間距的寬度(200mil)就足以應(yīng)對(duì)最惡劣情況，發(fā)熱也小。同時(shí)較粗也可以保證在板子上承載大重量器件如電感電容的時(shí)候，板子不容易斷裂。同時(shí)我們需要做好地線的設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?duì)于BOOST電路，整個(gè)系統(tǒng)是共地的(不考慮反激等設(shè)計(jì))，這個(gè)地線也將是信號(hào)的參考地，短而直的地線可以減少引線電感，降低電磁干擾，對(duì)于信號(hào)是有益的。我們一定要避免地線形成一個(gè)環(huán)，實(shí)際上任何信號(hào)線，功率線都不能自主形成一個(gè)環(huán)，通過法拉第電磁感應(yīng)定律我們很簡單知道這樣會(huì)造成很大的磁干擾。所以我們的功率走線要盡可能緊湊。
? ? ? ? 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)還有電壓反饋信號(hào)一般是對(duì)于AD,DA來說的，AD,DA的數(shù)據(jù)采集和輸出對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要，它關(guān)乎著你的算法能否實(shí)際的起作用，試想一下，需要采集的電壓是2V，而你的時(shí)鐘會(huì)經(jīng)常抖動(dòng)，電壓反饋信號(hào)的噪聲紋波達(dá)到了100mv，采集回來的電壓就由100mv的上下波動(dòng)這就導(dǎo)致了你的控制精度被無限的降低，PID算法無法進(jìn)行，系統(tǒng)就會(huì)崩掉。所以我們一定要重視這些信號(hào)走線的安置。
? ? ? ?一個(gè)最基本的要求就是信號(hào)線要短，區(qū)別于高頻信號(hào)，電源系統(tǒng)里面基本是低頻信號(hào)，因此我們不需要用到類似蛇形走線這種方式，但是屏蔽線還是可以起到很好的作用。我們還需要做的就是考慮任何將強(qiáng)電回路和弱電回路隔離，我們可以采用隔離芯片來實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和AD控制信號(hào)等的隔離，從輸出或者輸入經(jīng)過分壓電阻回來的反饋信號(hào)我們可以通過一個(gè)運(yùn)算放大器做一個(gè)跟隨器，利用他高輸入阻抗，低輸出阻抗的特性來做到隔離，當(dāng)然用三極管做成跟隨器也是個(gè)可行的方案，對(duì)于單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地，一般我們?cè)诘皖l電路里面多點(diǎn)接地，單點(diǎn)接地理論上都可以，不過推薦還是單電接地，避免大電流的時(shí)候出現(xiàn)地線電平不均衡分布導(dǎo)致控制信號(hào)的參考量不統(tǒng)一。具體的做法就是對(duì)于每一個(gè)信號(hào)模塊我們都引出一個(gè)地，然后將這個(gè)地匯聚到一點(diǎn)再接到強(qiáng)點(diǎn)地上，可以采用一個(gè)0歐的電阻做一個(gè)弱隔離。
「第一彈」電子設(shè)計(jì)大賽應(yīng)該準(zhǔn)備什么？
「第一篇」大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽，等你來提問。
「第二篇」全國一等獎(jiǎng)，經(jīng)驗(yàn)帖。
「第三篇」電賽，這些你必須知道的比賽細(xì)節(jié)，文末附上近十年電賽題目下載
「第四篇」電賽控制題可以準(zhǔn)備一些什么？
「第五篇」全國電子設(shè)計(jì)競賽-電源題設(shè)計(jì)方案總結(jié)
「第六篇」對(duì)于電賽，我們應(yīng)該看重什么？
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從0開始，三個(gè)月，獲全國一等獎(jiǎng)。
獎(jiǎng)狀是怎么煉成的—我的電賽狂魔之旅
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「重磅猜題之第二篇」2019年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽
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