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凡亿专栏 | BUCK电源之伏秒平衡法则(三)
BUCK电源之伏秒平衡法则(三)
                       BUCK电感之伏秒平

 

        为了更好的设计和使用电感,先来看一下电感的几种工作状态

 

①、电感工作方式之连续模式,简称CCM

 

图片1.png图一

        电感电压公式:UL=L*∆i/∆t,∆I:峰峰值电流,与Ipp相等,即∆I=Ipp,Idc:电感直流电流与平均电流IL相等,即Idc=IL=IR,Iac:平均电流到峰峰值之间的电流,也叫纹波电流,Iac=1/2 Ipp=1/2 ∆I。由图一可知:∆I=2Iac,Ipk=Iac+Idc,上面这些参数一定要牢记,计算电感量和理解电感非常重要。看图一示,电感电流经过几个周期后稳定,上升电流等于下降电流斜率,并且占空比等于50%,就是说ON的时间等于OFF的时间,像这种电感电流没有放电到0位的,我们称之为连续模式,简称CCM

②、电感工作方式之临界连续模式,简称BCM

 

图片2.png 图二

        看图二示,电感电流经过几个周期后稳定,上升电流等于下降电流斜率,并且占空比等于50%,就是说ON的时间等于OFF的时间,像这种电感电流放电到0位的,我们称之为临界连续模式,简称BCM

 

③、电感工作方式之断续模式,简称DCM

 

图片3.png 图三

        看图三示,电感电流经过几个周期后稳定,上升电流不等于下降电流斜率,并且占空比等于50%,就是说ON的时间等于OFF的时间,像这种电感电流提前回到零位的,我们称之为断续模式,简称DCM,断续模式下平均电流不等于腰线电流,切记切记

 

        总结:上面画的只是电感工作模式的理想示意图,实际电感工作过程中并非是50%占空比,上升斜率也未必等于下降斜率这点请知悉

 

Ø 伏秒平衡法则公式:Von*Ton=Voff*Toff

 

        首先我们要知道什么是伏秒平衡法则:在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值,这就是伏秒平衡法则的依据。伏秒平衡的本质是什么呢?同样是能量守能,储存的电流等于释放的电流,也就是说储存的能量等于释放的能量,如果电感输入能量不等于输出能量那他就不会平衡,输出就会不稳定

电感两端感应电压=电感电流的变化率*L,用公式表示:U=L*∆I/∆t,而感应电压分为两个状态,开关ON时候的感应电压与开关OFF的感应电压,用公式表示为:

图片4.png 

       Von*Ton/L 电感中存储能量需要等于输出能量则:式1=式2,∆Ion=∆Ioff得Von*Ton/L=Voff*Toff/L 等式两边同时乘以L可得到Von*Ton=Voff*Toff,这就是伏秒平衡法则的公式。那以此列一个等式:(Vin-Vo)*Ton=Vo*Toff,Vin是输入电源电压,Vout是输出电压,Ton:PWM波开通时间,Toff:PWM波关断时间,(Vin-Vo)是开通时间电感两端的电压可以用Von表示,Vo是输出电压,忽略二极管两端管压降,可以用Voff表示那等式可以变换成:Von*Ton=Voff*Toff,同样是伏秒平衡的表达式,根据伏秒平衡公式我们推导占空比D是怎么得到的。

Von*Ton=Voff*Toff

Vin-Vo)*Ton=Vo*Toff

Vin*Ton-Vo*Ton=Vo*Toff

Vin*Ton=Vo*Toff+Vo*Ton

Vin*Ton=Vo*(Toff+Ton)等式两边同时除以T得

图片5.png 

图片6.png                                                                                    图四

由图四示知道T=Ton+Toff

 

图片7.png 

占空比D表示一个周期内开通时间占整个周期的比例,已知D=Ton/T,求出Toff

图片8.png 

 

        由电感方程V=L*di/dt得知,把di/dt分别积分得V=L*∆I/∆T,∆I/∆T=∆Ion/∆Ton=∆Ioff/∆Toff,∆Ion与∆Ioff是电感开通和关断时候电流的积分。

电感复位:下一个周期的起始电流要等于上一个周期的起始电流,电感只有每个周期进行复位才能达到稳定。

 

        用图像法解释一下伏秒平衡法则如图五示,前提同一颗电感:1V电压20s与20V电压1s中流过电感中的电流是一样的,也变相解释Von*Ton=Voff*Toff。

图片9.png 

图五

那看一下,伏秒平衡法则使用的范围,是不是电感的连续模式、临界连续模式、断续模式都适用呢?

图片10.png 

                              图六

        来看图六示,电感工作在连续模式,从图中我们可以得到什么信息,电感上升斜率与下降斜率不相等,每个周期的电感起始电流都相等,Ton≠Toff,T=ton+Toff,CCM下电感电流是连续变化的,电流上升的积分等于电流下降的积分(∆Ion=∆Ioff),综合这些信息不难看出电感进入稳态后,能量是守恒的,储存的电流等于释放的电流,所以是满足伏秒平衡的

图片11.png 

                             图七

        来看图七示,电感工作在临界连续模式,从图中我们可以得到什么信息,电感上升斜率与下降斜率不相等,每个周期的电感起始电流都相等,Ton≠Toff,T=ton+Toff,BCM下电感电流是连续变化的,电流上升的积分等于电流下降的积分(∆Ion=∆Ioff),综合这些信息不难看出电感进入稳态后,能量是守恒的,储存的电流等于释放的电流,这些信息和CCM模式下基本相同,但是有一个地方需要注意一下,连续模式下电感的电流并未下降到0A而临界连续模式下电感的电流每次都是下降到0A再继续上升的这也是临界连续模式和连续模式最大的区别,也就说明临界连续模式也同样适用伏秒平衡

图片12.png 

                               图八

        来看图八示,电感工作在断续连续模式,从图中我们可以得到什么信息,电感上升斜率与下降斜率不相等,每个周期的电感起始电流都相等,Ton≠Toff,T=ton+Toff,但是DCM下电感电流不是连续变化的,在Toff没有结束的时候电感电流就下降到0A了,看图八t1那一段在Toff中经过t1时间电流降到0A,而Toff指的是整个载波为低的时间,t1≠Toff,由电感的计算公式U=L*∆I/∆T得知,在整个Ton与Toff内∆Ion≠∆Ioff了,而是变成Ion=It1,所以断续模式下伏秒平衡法则是不成立的

 

总结:伏秒平衡法则适用于CCM、BCM模式,并不适用于DCM模式

 


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