BUCK变换器实验指导书

作者:分开不是尽头 | 创建时间: 2023-05-07
本实验指导书是用来帮助学习掌握BUCK开关电源工作原理及BUCK电路各部件工作情况。...
BUCK变换器实验指导书

实验目的

加深对所学知识的理解,通过实验更深入、实际的对所学知识进行诠释;

帮助学生了解BUCK电路及其主要部件的工作特性与工作原理;

理解不同工作特性下BUCK转换器输出电压与占空比的关系;

通过直接的波形展示,了解输出电压的纹波;

理解实际工作中输出电压与负载大小的关系;

与理想状态进行对比,使学生明白实际工作中的效率问题;

深入理解BUCK DC/DC变换器的两种工作特性CCM工作模式与DCM工作模式。

实验原理

原理框图 MOSFET开关管和续流二极管D构成一个最基本的BUCK DC/DC降压变换电路。 通过对MOSFET开关管进行周期性的开通、关断控制,能将输入直流电压变换为输出电压,输出电压小于输入电压。二极管D在MOSFET关断时起到续流的作用。 这种降压变换电路连同LC滤波电路被称为BUCK型DC/DC变换器。

降压原理 对MOSFET施加下图所示的开关驱动信号 : 在Ton期间,VG>0,MOSFET处于导通状态; 在Toff期间,VG=0,MOSFET处于关断状态。 开关周期为 Ts,开关频率为 fs 导通时间与周期的比值称为导通占空比D, D=Ton/Ts 改变占空比,就可以改变输出电压的平均值。

LC滤波 MOSFET输出电压中除了直流分量还有交流分量,LC滤波电路可以减少输出电压的交流分量,这就保证了负载电压为平稳的直流电压。

实验内容

输出电压与占空比关系 在CCM模式下, 输出电压等于出入电压乘占空比,用公式表示为:

纹波的计算与观察 纹波就是一个直流电压中的交流成分。由于滤波不干净,就会有剩余的交流成分,即便是最好的基准电压源器件,其输出电压也是有波纹的。 纹波计算公式:(下图) 可以使用示波器的交流耦合模式(AC Coupling)来查看输出电压的纹波。

输出电压与负载的关系 在理想情况下,输出电压应该与负载无关。 但实际的电源内阻、MOSFET导通电阻、电感的内阻等都会产生压降,且负载电流越大,这个压降也越大。压降最终会影响到输出电压。

工作效率 效率计算公式: 效率 = 输入功率 / 输出功率 理想情况下工作效率是100%。 但实际工作中存在损耗,BUCK转换器主要的损耗是导通损耗和交流开关损耗。 导通损耗主要是指MOSFET导通电阻和二极管导通压降; MOSFET导通不是瞬间的,导通电流有个从零逐渐上升到最大的过程。MOSFET关断也有类似情况。这就是交流开关损耗,交流开关损耗与开关的频率成正比。

CCM与DCM 根据电感电流是否连续,可划分为连续电流模式(CCM Continuous Current Mode) 、不连续电流模式(DCM Discrete Current Mode)和临界电流模式(CRM) 。 如下图1 工作于连续模式的最小电感值为临界电感计算公式如下:下图2 如果L > Lmin, 则工作于 CCM模式;反之工作于DCM模式。

温馨提示

此实验指导书适用于BUCK变换器
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