DC/DC 降压转换器设计与测量

 

1引言

直流到直流电源转换器是当今最常见的电子系统之一。 从我们的手机充电器到客机的电源，我们经常看到这种性质的子系统。 能够快速调试和评估各种电气子系统的质量是电气工程师的一项极其重要的技能。 美国空军对功率转换的应用特别感兴趣，因为我们的许多系统在整个过程中都采用了各种电力电子子系统。

A 降压转换器，一种开关降压转换器，是一种常用的子系统，可以有效地将输入源（电源）的电压降低到适合输出（负载）的水平。 降压转换器是一种开关转换器，其中晶体管将用作开关，并将电路的电源侧隔离或连接到负载。 降压转换器的一个关键优势是电压转换的效率。 通常，我们可以期望设计良好的降压转换器的效率达到 90% 或更高。

目标：本实验室旨在：

1. 介绍降压转换器背后的基本理论
2. 确定各个组件的尺寸注意事项
3. 展示实际实施的分析和测量技术

本文中的实验室部分将基于 Liquid Instruments 的 Moku:Go。 各种示波器、直流电源和函数发生器足以满足该实验室的需求。 Moku:Go 被选中用于该实验室实验，因为它在一个设备中包含了该实验室所需的所有测试设备。

这项工作的总体目标是开始开发一系列综合实验室实验，这些实验既可以作为独立练习进行，也可以与深入的理论相结合。 目的是让学生接触各种关键概念，并让他们同时探索其实际应用。 这些实验旨在提供对理论和必要计算的粗略了解，但不会提供大多数电气工程教科书中常见的所有必要推导。 选择此策略是为了向更广泛的学生专业水平提供更平易近人的实验室，并意识到实验室可以很容易地与更多的理论讨论相结合。

 

2 材料

需要以下材料清单才能完全执行本教程的实验室部分。

2.1 测试设备

• 1x Moku:Go 或
  • 1 个函数发生器，能够生成 50 kHz PWM 信号
  • 1x 示波器
  • 1 个 12 V 和 150 mA 电源
• 1x 原型板或模块化印刷电路板 (PCB) 设计如下所述

2.2 电子元器件

• 1x 470 µH 电感器（652-2100LL-471-H-RC 或类似产品）
• 1x P 沟道 MOSFET（IRF9Z24NPBF 或类似产品）
• 1x N 沟道晶体管（2N3903 或类似产品）
• 1x 1000 3 瓦电阻器（W3M1000J 或类似产品）
• 4x 1 kΩ ¼ 瓦电阻
• 1x 330 Ω ¼ 瓦电阻
• 2 个 100 µF 电容器（80-ESK107M050AG3AA 或类似产品）
• 1x 肖特基二极管（MBR745G 或类似产品）

 

3理论

开关转换器是一类高效的电路，用于将输入直流电压转换为不同的输出直流电压。 在本实验室中，我们将特别考虑降压转换器，该转换器理论上设计用于将直流输入电压降至低于输入的任何输出电平。 实际上，由于各种电气元件的损耗，最大输出将略低于输入电压。 在未来的实验室中，我们将探索 升压转换器 这可以允许输出大于输入。

3.1 基本开关转换器

图 1 中的基本开关转换器将使用脉冲宽度调制 (PWM) 输入信号来驱动充当开关的晶体管。 然后负载两端的电压将在 V 之间交替_s PWM 信号分别为高电平和低电平时为 0 V。 由此可以相当直观地看出，负载两端的平均电压将随着 PWM 输入信号占空比的增加或减少而增加。

图 1：基本开关转换器

 

对于此电路中具有占空比 (D) 的脉冲输入，将产生如图 2 所示的脉冲输出。 对于这种理想的简单电路设计，脉冲输出占空比将与输入 PWM 占空比完全匹配，其中：

图 2：输出电压（V₀) 作为开关输入占空比的函数

 

从图 1 和图 2 中我们可以推断出负载两端的平均电压将描述为：

平均输出与占空比直接相关。 在许多应用中，需要纯直流输出。

3.2 理想降压转换器

为了在负载上产生纯直流输出，可以对基本开关转换器应用一个低通滤波器，如图 3 所示。如果我们可以产生一个理想的低通滤波器，则在 V 上测得的输出自然会变为V_s (D) 如上所述。 然而，由于我们知道我们无法创建理想的低通滤波器，因此以下理论将介绍主要基于负载和 PWM 输入频率的电感器和电容器的选型考虑因素。

图 3：基本直流到直流降压转换器

 

以下分析假设图 3 中的二极管将始终保持正向偏置。 因此，我们需要确保电感器电流保持为正，或者换句话说，在 持续电流 操作区域。 如果允许电感器电流在 PWM 输入信号的每个周期内返回到零，则电感器将工作在 不连续电流 区域，下面将进行分解分析。 基本上在 不连续电流 区域您将不再看到 PWM 输入之间的密切相关性 PW 和负载上的输出电压，V₀. 为了适当地确定电感器的大小，我们可以使用以下等式：

哪里 f 是PWM输入频率，P_鼠 是转换器的最大额定功率， k 是您希望设计的最大输出功率与最小输出功率之比。 这个等式将帮助我们找到电感器 L 的最小值_分钟 鉴于我们持有 f 持续的。 鉴于许多负载可能具有不同的功率消耗，L_分钟 应该通过调整大小 k 和 f. 我们通常会这样设计 k 介于 3 和 10 之间，许多电力电子应用将保持 f 大约 50 kHz 或更低。 但是，此时看到 100 kHz 范围内的开关频率并不少见。 在各种应用可能需要单个转换器的情况下，我们必须考虑等式 3 中每个参数的平衡。图 3 中的电容器将控制负载两端的纹波电压。 纹波电压是 PWM 输入分别打开和关闭时电容器不断充电和放电引起的负载电压的微小变化。 可接受的纹波电压水平是降压转换器设计中必须考虑的另一个设计考虑因素。 如果我们知道所需的纹波电压的最大电平 (ΔV_0-pp)

 

3.3 示例配置

让我们假设我们有以下配置：

• V_s = 12 V.
• R_L = 100欧姆
• f = 50kHz
• P_最大 = 1.44W
• P_分钟 = 0.36W
• 纹波电压 <= 3 mV

如果我们想确保我们能够维持低至 6 V 的连续电流，我们可以假设 D 为 50%。 实际上，根据各个组件的大小，D 可能略有不同，但 50% 是一个很好的起点。

请注意，如果我们想进一步降低所需的电感，我们可以增加 PWM 频率，直至达到晶体管的最大开关频率。 例如，如果我们知道我们有 470 µH 电感器可用，我们现在可以进入并找到所需的开关频率，以使上述方案正常工作。 在随后的这种情况下，我们需要 53.191 kHz 的开关频率以确保持续电流，同时将负载两端的电压降至 6 V。

我们现在可以确定电容器的大小，以考虑输出端所需的纹波电压。

 

3.4 开关设计

图 3 中电路的左半部分是对现实的过度简化。 为了正确考虑输入端的各种电压电平以及 PWM 输入和电源电压之间的不同电平，增加复杂性是有必要的。

图 4：完整的直流到直流降压转换器

 

正如您在图 4 中所见，电路的右半部分与上面的图 3 相同。 然而，电路的左侧包含必要的逻辑，允许外部输入正确启用开关，而不会对任何组件造成损坏。 这种开关设计对于大多数开关型 DC-DC 转换器都是有效的。 我们实际上已经使用 P 沟道 MOSFET 创建了一个高侧开关。 我们使用 NPN 晶体管为 MOSFET 提供所需的栅极输入，并使用我们的 PWM 输入驱动晶体管上的栅极。 该 PWM 输入可以来自频率接近 50 kHz 的大多数函数发生器。 在下一节中，我们将评估设计并测试我们从上面做出的预测。

 

4 模拟

使用上面的图 4，我们现在将使用 Multisim 和 LT Spice 来模拟和测试我们上面设计的有效性。 最终我们的目标是在实施之前在模拟中测试基于理论的预测。 此外，我们将调查此设计的预测效率。 为了与使用开关型转换器的重点保持一致，一个正常的目标是在设计范围内实现接近 90% 或更高效率的效率。 但是，我们预计，随着我们越来越接近组件设计的限制，设计在仿真和实践中都会失去效率。 此外，根据设计，我们预计开关频率的增加会导致效率降低，因为每个开关周期都会有一段时间 P 沟道 MOSFET 有高电压和电流通过。 这种转变的持续时间不会随着频率的增加而改变。 然而，P 沟道 MOSFET 中此过渡周期的总时间比自然会随着开关频率的增加而增加。 回想一下，使用高开关频率的主要原因是为了降低所需的电感值 L1。

为了估计设计的效率，我们只测量负载两端的功率，并将其与电源输出功率进行比较。 借助 MultiSim，我们能够非常轻松地探测电路中的两个点。 在实践中，我们需要测量每个点的电流和电压以进行比较。

 

4.1 效率

图 5：具有 100% 占空比的仿真

 

以下结果是通过提供从 100% 到 10% 的各种占空比值获得的。 主要观察结果是降压转换器的设计导致效率降低，因为占空比降低，如下所示。

表 1：模拟结果

 

4.2 实验设计目标

根据上表中建立的基线结果，我们的目标是设计一个可配置的印刷电路板 (PCB)，使学生能够根据组件关系的基线知识测试各种假设。 例如，要测试的一些有趣的假设是：

• 开关频率与观察到的效率之间的关系
• 电感与开关频率的关系
• 电容与纹波电压的关系

为了适应如上所述的快速探索，可配置 PCB，其中关键组件 L2、CXNUMX、CXNUMX 和负载值都可以轻松更改。 此外，我们希望允许使用各种技术来提供反馈和控制占空比或 PWM 信号源。

4.3 可配置 DC-DC 降压转换器 PCB

为了实现模块化电路，使我们能够探索规定的设计目标，将图 4 中的电路设计到以下 PCB 中。 值得注意的是，目标是实现一种简单的实验室辅助工具，而不是商业级 DC-DC 降压转换器。 没有将任何电容器、电感器或负载永久固定到电路板上，而是使用了简单的接线端子。 虽然这种设计可以很容易地构建在基本的原型板上，但我们选择设计一个可配置的 PCB 来帮助更快地研究关键概念，而不是花时间让学生构建原型。 虽然原型制作练习很有价值，但这不是本实验室实验的目的。

图 6：可配置降压转换器 PCB

 

图 7 中的圆圈区域突出显示了可用于更改 C1、C2、L1 和图 4 中的负载值的端子块。

图 7：可配置降压转换器 PCB——可定制组件

 

图 8 中的圆圈区域显示了可以向控制器提供 PWM 信号的位置。 在大多数情况下，PWM 输入将连接到左下角的圆圈区域。 但是，如果您使用的是像 TL-5001 PWM 控制器这样的芯片，则需要在中间的圆形接线端子中提供输入。 使用中心接线盒将旁路 NPN 晶体管并将信号直接提供给 P 沟道 MOSFET。 此外，中央接线端子允许您在 P 沟道 MOSFET 的栅极和 NPN 晶体管的集电极之间连接一个额外的电阻器。

图 8：完全构建的可配置降压转换器

 

图 9 中圈出的接线端子提供与负载并联的分压器输出。 该分压器可以定制配置，以提供各种不同的电压电平，以结合反馈环路，从而动态控制负载上的占空比和输出电压。

图 9：可配置降压转换器 PCB——用于反馈控制的分压器

 

图 10 显示了根据图 4 中的设计完全配置的 DC-DC 降压转换器 PCB。

图 10：可配置降压转换器 PCB

 

5 实验结果

5.1 仿真效率比较

在本节中，我们会将降压转换器的性能与仿真结果进行比较。 正如您在下面的表 2 中看到的那样，效率确实像仿真中预期的那样降低了，但总体趋势和幅度是相似的。 此外，负载两端的电压与我们的模拟非常匹配（每个占空比都在 0.2 V 以内）。 显然，我们可以预期实际组件会有一些变化，但下面的结果提供了一定程度的基本保证，即我们的降压转换器按预期工作，并且始终是深入调查之前的重要第一步。

表 2：模拟结果

 

5.2 P 沟道 MOSFET 的栅源电压

有了这个基本的比较，我们现在可以进行一些额外的测量来观察所选组件的功能区域。 一项有趣的测量是测试 P 沟道 MOSFET 的栅源电压，以确保它低于组件数据表中规定的最大值。 根据数据表，V_GS,最大 = ± 20V。 使用示波器上的数学通道和两个输入通道，我们可以测量栅极和源极的电压，如图 11 所示。如下图所示，即使有过冲，我们也永远不会接近组件的极限.

 

图 11：源输入为 12 V 的 VGS

 

在图 11 中，我们在通道 A 上绘制了 P 沟道 MOSFET 栅极电压，在通道 B 上绘制了 P 沟道 MOSFET 源极电压。然后我们使用数学通道找到 V_GS. 即使有超调，我们也永远不会接近组件的限制。 然而，当我们将降压转换器的输入源电压增加到 16 V（如图 13 所示）时，测得的过冲为 -18.62 V。因此，我们可能会在高于 17 V 时冒损坏 FET 栅极的风险。

图 12：V_GS 源输入为 16 V

 

在不移动示波器输入探头的情况下，我们可以进行另一个有趣的测量。 我们可以测量从 PWM 信号变高到 P 沟道 MOSFET 的栅极电压稳定为零的时间。 通过将最左边的光标设置为参考，我们可以看出这个时间是 1.5 µs。 给定所选组件，这样的测量可以为开关频率的上限提供支持。

图 13：过渡时间

 

5.3 额外的测量和实验/未来的实验

之前演示的测量只是您可以使用此板进行的探索类型的一小部分。 显然，我们可以更改组件值来检验各种假设。 此外，您可以创建一个反馈回路并让学生设计一个 PID 控制器来保持恒定的电压输出。

6 总结

像 Moku:Go 这样的一体式仪器系统提供了一个灵活的解决方案来增强专门建造的实验室，并且在许多情况下可以提供增强的灵活性，以更高的重复性和频率为学生带来演示。 结合上面讨论的量身定制的实验，我们可能有机会打破目前阻止许多学生选择学习电气和计算机工程的某些障碍。