BUCK电路分析（二）

2023-11-19

BUCK电路分析（二）

PSIM仿真同步BUCK电路

在上片文章中，初步的分析了BUCK电路的工作原理。本章使用PSIM软件仿真BUCK电路，观察分析BUCK电路器件关键波形。图1是同步BUCK电路图，开关频率设置为200K ，固定占空比。在仿真一段时间、电路工作稳定之后，观察分析波形。
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图1 同步BUCK电路
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图2 PWM波形

如图2所示，AMP是斜坡发生器的波形，PWMH是上桥臂MOS Q1的驱动波形，PWML是下桥臂MOS Q2的驱动波形；I(L1)是电感电流波形；可以看到PWMH 和PWML都存在一小段时间同时为低的情况，该时间就是死区时间。同时可以看到在PWMH为高，PWML为低时，上管MOS Q1 开通，下管Q2截止，电感电流上升；在PWMH为低，PWML为高时，上管MOS Q1 截止，下管Q2开通，电感电流下降。

由于是同步BUCK电路；电流一直是有的，图中电感电流的平均值大于零，图中电感电流的波形与异步BUCK电路进入了连续电流模式（CCM）时的波形是一样的，不同的是由于同步BUCK电路下管是MOS 电流是可以倒流的，所以在同步BUCK电路轻载、空载时，电感电流可以是负的也就输出电容流出电流；而在异步BUCK电路中，BUCK电路轻载、空载时电感电流减少到零之后，二极管截止了电流就不能倒流，电流就为零，电路进入了不连续电流模式（DCM），
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图 3 MOS Q1 电流电压波形

如图3所示，I(Q1)是流过MOS Q1 的电流的波形， VQ1是MOS Q1 的 Vds 波形。在PWMH为高，PWML为低时，上管MOS Q1 开通，下管Q2截止，电感电流上升；流过MOS Q1 的电流也是上升的。I(Q1)的波形可以看作是电感电流波形的一部分。一般情况，BUCK电路采用峰值电流控制模式时，需要采样上管MOS Q1的电流也就是 I(Q1)；可通过电流互感器来采样。在PWMH为高，PWML为低时，上管MOS Q1 开通，MOS的Vds电压下降如波形VQ1所示
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图4 下管 MOS Q2 电压、电流波形

如图4所示，I(Q2)是流过MOS Q2 的电流的波形， VQ2是MOS Q2 的 Vds 波形。需要特别注意的是，图中显示的I(Q2)电流波形与教科书或者其他资料流过续流二极管的波形有所不同，这是因为电流参考方向不同引起的。将图中的波形沿着X轴上翻就得到了书本中的波形。同时如果要采样下管的电流波形也需要注意电流方向的问题。
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图5 电感L 电流、电压波形

如图5所示、I(L1)是电感电流波形；VL是电感两端的电压波形；Vout是输出电压波形，从波形可以看到输出电压是18.9V左右，波形包含了0.03V峰峰值的纹波。从波形上看，在PWMH为高，Q1开通时加在电感上的电压是约29V，上一章分析了伏秒积平衡，电感电流的增加量需要等于减少量。通过电感电压波形也是可以验证的。
U L = U i − U o = 48 − 19 = 29 U_L = U_i - U_o = 48-19 = 29 UL=Ui−Uo=48−19=29
在PWMH为低，Q2开通，Q1截止了时，加在电感上的电压是输出电容的电压：
U L = − U o = − 19 U_L = - U_o = -19 UL=−Uo=−19
通过波形可以计算在PWMH为高是与PWMH为低时，电感电压波与时间轴围成的面积，是相等的。也即伏秒积相等。
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图 6

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图 7 输出电容的电流波形

如图7所示，I(C2) 是输出电容的电流波形。在电感电流上升期间，有电流入输出电容为电容充电。

PSIM仿真异步BUCK电路

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图8 异步BUCK电路

如图 8所示，为异步BUCK电路图，与同步BUCK电路的不同在于，异步BUCK电路使用功率二极管D1 作为续流二极管。开关频率设置为200K ，固定占空比。以下将观察分析异步BUCK电路的波形并对比同步BUCK电路的波形、了解其不同之处。
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图9 异步BUCK电路电流连续模式下的波形

图9所示，AMP是斜坡发生器的波形，PWMH是上桥臂MOS Q1的驱动波形，I(L1)是电感电流波形； I(Q1)是 MOS Q1的电流波形；对比图2可以看出，在电感电流不过零的情况下；同步BUCK电路与异步BUCK电路的电感电流波形和 MOS Q1的电流波是相同的。
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图10 异步BUCK电路电流连续模式下的波形

如图10所示，I(D1) 是续流二极管的电流波形。对比图4同步BUCK电路流过下管的电流波形，可以看出。他们的波形是关于X轴对称的，这是由于电流参考方向不引起的。
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图 11 VQ1 MOS Q1 的Vds 波形
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图 12 VD1 续流二极管电压波形

图12 所以 VD1 是续流二极管的电压波形；在实际电路中测量的续流二极管电压波形与图中的波形可能有较大的不同，这是因为序列二极管的结电容以及它寄生电感电容参数引起的。
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图13 异步BUCK电路输出电压波形和输出电容的电流波形

如图13所示，Vout为输出电压波形电压为23.70V左右，并包含有纹波电压。异步BUCK电路输出电压波形与同步BUCK电路在电感电流不过零的情况下，是相同的。

同步BUCK电路与异步BUCK电路，轻载或者空载之下，电感电流的对比

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图14 异步BUCK电路不连续电流模式（DCM）波形

如图14 所示、电感电流I(L1) 在 PWMH为低期间，在下一个周期PWM为高之前；电感电流降低到零；电流不连续，进入DCM工作模式。
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图15 同步BUCK电路轻载下电感电流波形

如图15所示同步BUCK电路，在轻载时的电流波形 I(L1); 电流在减小到零之后，电流反相增大；这是因为电感存储的能量释放完，电感电流降低到零之后，下一个周期的PWMH高还没有到来，下管MOS Q2 还导通着，这时输出电容就会通过电感 MOS Q2 放电，电流倒流。而在非同步BUCK电路中，电感电流减小到零之后续流二极管截止了；不像同步BUCK电路中MOS Q2那样电流可以倒流，所以其电感会有一段时间没有电流流过，电路进入断续工作模式。在同步BUCK电路中，由于MOS Q2那样电流可以倒流，在整个周期内电感都是有电流流过的，同步BUCK电路所以是不存在电流断续的转态。电流断续模式（DCM）是针对非同步BUCK电路而言的。
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图16 异步BUCK电路临界电流模式（BCM）电感电流波形

如图16所示异步BUCK电路，在轻载时的电流波形 I(L1); 在PWMH为低 MOS Q1 关断，续流二极管D1续流，在电感电流减小到零时时，下一个周期的PWMH高刚好到来，电感再次上升。此时电路就进入了临界电流模式（BCM）。

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