如何使用PWM控制MOS管進(jìn)行開關(guān)控制

首先，對(duì)三種英文名稱進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的翻譯：

BULK——降壓

BOOST——升壓

BULK-BOOST——升降壓

對(duì)三種電路的共性進(jìn)行一個(gè)研究，就會(huì)發(fā)現(xiàn)： 三種電路拓?fù)涠际怯米詈?jiǎn)單的電路元件構(gòu)成的：電容、電感、二極管、MOS管(或三極管)，無需復(fù)雜的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。 這不僅節(jié)約了成本，也為電路選型和拓展提供了更多可能性。

1、BUCK電路拓?fù)?

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BUCK電路拓?fù)涫疽鈭D

如圖所示即為BUCK電路(降壓)的拓?fù)涫疽鈭D，其中 開關(guān)部分往往使用PWM控制的MOS管進(jìn)行開關(guān)控制實(shí)現(xiàn) (這也是為什么這類電路叫做開關(guān)電源的原因)。

接下來，將對(duì)開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)電路的情況進(jìn)行分別討論，并解釋電路降壓的工作原理。

當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，

電感被輸入端施加的電壓充電(充磁)，此外輸入電壓會(huì)施加到電容上，進(jìn)而為電阻提供電壓。由于電感會(huì)阻止自身兩端電壓的突變，所以傳遞給輸出部分的只是一部分電壓。輸出電壓逐漸升高，直到電感充電(充磁)完畢，輸出電壓升高至與輸入電壓相等。

當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，

上一過程被充電(充磁)的電感開始釋放能量，根據(jù)楞次定律：電感流出的電流由電感右側(cè)出發(fā)回到電感左側(cè)，故二極管正向?qū)?上一過程二極管反向截止)。輸出電壓逐漸降低，直到電感放電完畢，輸出電壓降低至0。

開關(guān)過程循環(huán)往復(fù)，輸出電壓一直在輸入電壓以下做波動(dòng)(電容起到濾波的作用，可以減小紋波)，從而實(shí)現(xiàn)降壓的目的。

輸出電壓與輸入電壓關(guān)系的計(jì)算，【 注意以下計(jì)算在CCM模式下進(jìn)行，什么是CCM在之后會(huì)進(jìn)行敘述】

設(shè)開關(guān)管的開啟時(shí)間為t on ，關(guān)閉時(shí)間為t off ，那么占空比D為：

2、BOOST電路拓?fù)?

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BOOST電路拓?fù)涫疽鈭D

如圖所示即為BOOST電路(升壓)的拓?fù)涫疽鈭D，BOOST電路與BULK電路的拓?fù)浞浅ｎ愃?，只是電感、開關(guān)管、二極管進(jìn)行了換位。接下來，將對(duì)開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)電路的情況進(jìn)行分別討論，并解釋電路升壓的工作原理。

當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，

輸入電壓為電感充電(充磁)。由于二極管的作用，電容電壓不會(huì)通過短路發(fā)生泄放。輸出部分的電壓由輸出電容的電壓維持。

當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，

輸出電壓由兩部分組成，一部分是輸入電壓，另一部分是上一過程中電感充電(充磁)的電壓。輸出電壓由2倍輸入電壓逐漸降低至輸入電壓。此過程同時(shí)還會(huì)給電容充電，以使得開關(guān)管關(guān)閉時(shí)輸出電壓仍能得到短暫維持。

開關(guān)過程循環(huán)往復(fù)，輸出電壓一直在輸入電壓以上做波動(dòng)(電容起到濾波的作用，可以減小紋波)，從而實(shí)現(xiàn)升壓的目的。

輸出電壓與輸入電壓關(guān)系的計(jì)算，【 注意以下計(jì)算在CCM模式下進(jìn)行】

設(shè)開關(guān)管的開啟時(shí)間為t on ，關(guān)閉時(shí)間為t off ，那么占空比D為：

3、BULK-BOOST電路拓?fù)?

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BUCK-BOOST電路拓?fù)涫疽鈭D

如圖所示即為BUCK-BOOST電路(升降壓)的拓?fù)涫疽鈭D，BUCK-BOOST電路與BULK電路的拓?fù)浞浅ｎ愃?，只是電感、二極管進(jìn)行了換位。接下來，將對(duì)開關(guān)開啟和關(guān)斷時(shí)電路的情況進(jìn)行分別討論，并解釋電路升降壓的工作原理。

當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，

輸入電壓為電感充電(充磁)。由于二極管的作用，電容電壓不會(huì)通過短路發(fā)生泄放。輸出部分的電壓由輸出電容的電壓維持。

當(dāng)開關(guān)管打開時(shí)，

輸出電壓由電感完全提供，電感輸出的電壓同時(shí)施加在了輸出端和輸出電容上，以短暫維持開關(guān)管關(guān)閉時(shí)的輸出電壓。特別需要注意的是， 電感的電流流向?qū)е螺敵龆说臉O性與輸入端的極性相反 。

開關(guān)過程循環(huán)往復(fù)，輸出電壓一直在輸入電壓以上或以下做波動(dòng)(電容起到濾波的作用，可以減小紋波)，從而實(shí)現(xiàn)升壓或降壓的目的。

輸出電壓與輸入電壓關(guān)系的計(jì)算，【 注意以下計(jì)算在CCM模式下進(jìn)行】

設(shè)開關(guān)管的開啟時(shí)間為t on ，關(guān)閉時(shí)間為t off ，那么占空比D為：

4、什么是CCM模式?

在前文中，我們多次提到了 CCM模式 ，那么什么是CCM模式呢?

CCM模式的全稱為電流連續(xù)工作模式(Continuous Conduction Mode)，電流連續(xù)是針對(duì)電感電流的連續(xù)性來討論的。

在前面的分析中，我們也知道了開關(guān)管開啟和關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致電感電流發(fā)生變化。 當(dāng)電感電流在下降過程中還未下降到0便又被拉高的情形，我們便稱為CCM模式 。也即電感沒有經(jīng)過“復(fù)位”的過程，電感磁通從未降低到0。

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CCM示意圖

由于CCM模式下，電感電流是連續(xù)的，所以可以采用伏秒平衡原理來對(duì)電感電流進(jìn)行計(jì)算。

**除了CCM模式，還有兩種模式也比較常見，DCM模式和BCM模式。**其中， DCM模式全稱為電流不連續(xù)工作模式(Discontinuous Conduction Mode) ， BCM模式全稱為臨界導(dǎo)通模式(Boundary Conduction Mode) 。

DCM模式即電感經(jīng)歷了“復(fù)位”的過程，電感磁通有下降到0的情況。

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DCM示意圖

DCM模式即電感在“復(fù)位”的瞬間，電感又被充磁。這個(gè)過程往往需要一個(gè)MOS管來進(jìn)行控制。

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BCM示意圖

5、元器件選型指南

選型指南將分別對(duì)電路系統(tǒng)中出現(xiàn)的元器件逐個(gè)進(jìn)行介紹：

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對(duì)于功率電感的選型，

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用1μH至10μH的電感器，其直流電流額定值至少比最大負(fù)載電流高25%。

為了獲得更高的效率，請(qǐng)選擇一個(gè)直流電阻較低的電感器。電感值越大，紋波電流越小，輸出紋波電壓越低，但物理尺寸越大，串聯(lián)電阻越大，飽和電流越小。

確定電感器值的一個(gè)好的規(guī)則是允許電感器紋波電流約為最大負(fù)載電流的30%。

對(duì)于濾波電容的選型，

輸入電容器可以是電解電容，鉭電容或陶瓷電容，使用低ESR的電容。

**當(dāng)使用電解電容器時(shí)，應(yīng)在靠近輸入的地方放置兩個(gè)額外的優(yōu)質(zhì)陶瓷電容器。 **

對(duì)于續(xù)流二極管，

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，輸出整流二極管將電流提供給電感器。

為了減少由于二極管正向電壓和恢復(fù)時(shí)間而造成的損耗，請(qǐng)使用 肖特基二極管 。

選擇一個(gè)二極管，其 最大反向電壓額定值大于最大輸入電壓 ，并且其 電流額定值大于最大負(fù)載電流 。