DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今常見的電子系統(tǒng)之一咽斧。 我們通常在從手機充電器到客機電源的所有事物中看到這種性質(zhì)的子系統(tǒng)。 能夠快速調(diào)試和評估各種電氣子系統(tǒng)的質(zhì)量對于電氣工程師來說是一項尤為重要的技能张惹。
DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計和測量
DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器是當(dāng)今常見的電子系統(tǒng)之一舀锨。 我們通常在從手機充電器到客機電源的所有事物中看到這種性質(zhì)的子系統(tǒng)宛逗。 能夠快速調(diào)試和評估各種電氣子系統(tǒng)的質(zhì)量對于電氣工程師來說是一項尤為重要的技能坎匿。 美國空軍對電力轉(zhuǎn)換的應(yīng)用特別感興趣雷激，因為我們的許多系統(tǒng)都使用了各種電力電子子系統(tǒng)。
降壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器屎暇，是一種常用的子系統(tǒng)承桥，可有效地將來自輸入源（電源）的電壓降低到適合輸出（負(fù)載）的電平。 降壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器恭垦，其中晶體管將用作開關(guān)，并將電路的電源側(cè)隔離或連接到負(fù)載番挺。 降壓轉(zhuǎn)換器的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是電壓轉(zhuǎn)換的效率唠帝。 通常，我們可以預(yù)期設(shè)計良好的降壓轉(zhuǎn)換器的效率為 90% 或更高玄柏。
目標(biāo)：本實驗室旨在：
介紹降壓轉(zhuǎn)換器背后的基本理論
確定各個組件的尺寸注意事項
展示實際實施的分析和測量技術(shù)
本文中的實驗室部分將基于 Liquid Instruments 的 Moku:Go。各種示波器粪摘、直流電源和函數(shù)發(fā)生器足以滿足該實驗室的需要瀑晒。 Moku:Go 被選中用于該實驗室實驗，因為它在一個設(shè)備中包含了該實驗室所需的所有測試設(shè)備徘意。
這項工作的總體目標(biāo)是開始開發(fā)一系列全面的實驗室實驗，這些實驗既可以作為獨立練習(xí)進(jìn)行椎咧，也可以與深入的理論相結(jié)合玖详。目的是讓學(xué)生接觸各種關(guān)鍵概念，并讓他們同時探索他們的實際應(yīng)用。這些實驗室旨在粗略地介紹理論和必要的計算籽孙，但不會提供大多數(shù)電氣工程教科書中常見的所有必要推導(dǎo)。選擇這種策略是為了向更廣泛的專業(yè)水平的學(xué)生展示一個更平易近人的實驗室，并意識到實驗室可以很容易地與增加的理論討論相結(jié)合诸狭。
完全執(zhí)行本教程的實驗室部分需要以下材料清單券膀。
? 1x Moku:Go 或
– 1x 函數(shù)發(fā)生器君纫，能夠產(chǎn)生 50 kHz PWM 信號
– 1x 示波器
– 1 個 12 V 和 150 mA 電源
? 1x 原型板或模塊化印刷電路板 (PCB) 設(shè)計如下所述
? 1x 470 μH 電感器（652-2100LL-471-H-RC 或類似產(chǎn)品）
? 1x P 溝道 MOSFET（IRF9Z24NPBF 或類似產(chǎn)品）
? 1x N 溝道晶體管（2N3903 或類似產(chǎn)品）
? 1x 1000 3 瓦電阻器（W3M1000J 或類似產(chǎn)品）
? 4x 1 kΩ ? 瓦電阻器
? 1x 330 Ω ? 瓦電阻器
? 2x 100 μF 電容器（80-ESK107M050AG3AA 或類似）
? 1x 肖特基二極管（MBR745G 或類似產(chǎn)品）
開關(guān)轉(zhuǎn)換器是一類有效的電路三娩，用于將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為不同的輸出直流電壓庵芭。 在本實驗室中雀监，我們將專門考慮一個降壓轉(zhuǎn)換器双吆，該轉(zhuǎn)換器理論上設(shè)計用于將直流輸入電壓降至低于輸入的任何輸出電平会前。 實際上，由于各種電氣元件的損耗瓦宜，Z大輸出將略低于輸入電壓蔚万。 在未來的實驗室中，我們將探索允許輸出大于輸入的升壓轉(zhuǎn)換器临庇。
圖 1 中的基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器將使用脈寬調(diào)制 (PWM) 輸入信號來驅(qū)動充當(dāng)開關(guān)的晶體管。 當(dāng) PWM 信號分別為高電平和低電平時假夺，負(fù)載兩端的電壓將在 Vs 和 0 V 之間交替淮蜈。 由此可見，負(fù)載上的平均電壓將隨著 PWM 輸入信號上占空比的增加或減少而增加梧田。
對于該電路的占空比脈沖輸入，將產(chǎn)生如圖 2 所示的脈沖輸出侧蘸。 對于這種理想的簡單電路設(shè)計裁眯，脈沖輸出占空比將與輸入 PWM 占空比完全匹配讳癌，其中：
從圖 1 和圖 2 中穿稳，我們可以推斷出負(fù)載上的平均電壓將由下式描述：
平均輸出與占空比直接相關(guān)晌坤。 在許多應(yīng)用中，需要純直流輸出泡仗。
為了在負(fù)載上產(chǎn)生純直流輸出埋虹，可以將低通濾波器應(yīng)用于基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器猜憎，如圖 3 所示。如果我們可以產(chǎn)生理想的低通濾波器胰柑，在 V 上測得的輸出自然會變?yōu)?Vs (D) 如上所述截亦。 然而爬泥，由于我們知道我們無法創(chuàng)建理想的低通濾波器崩瓤，因此以下理論將主要根據(jù)負(fù)載和 PWM 輸入頻率介紹電感器和電容器的尺寸考慮因素袍啡。
以下分析假設(shè)圖 3 中的二極管將始終保持正向偏置却桶。 因此，我們需要確保電感電流保持為正颖系，或者換句話說嗅剖，在連續(xù)電流工作區(qū)域內(nèi)。 如果在 PWM 輸入信號的每個周期內(nèi)允許電感電流歸零嘁扼，則電感將工作在不連續(xù)電流區(qū)域，下面的分析將失效趁啸。 基本上在不連續(xù)電流區(qū)域中强缘，您將不再看到 PWM 輸入 PW 和負(fù)載輸出電壓 V0 之間的密切相關(guān)性。 為了適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電感器的大小旅掂，我們可以使用以下等式：
其中 f 是 PWM 輸入頻率，Prat 是轉(zhuǎn)換器的Z大額定功率蛤签，k 是您希望設(shè)計的Z大與Z小輸出功率輸出之比辞友。這個方程將幫助我們找到電感 Lmin 的Z小值震肮，假設(shè)我們保持 f 不變称龙。鑒于許多負(fù)載可能具有不同的功耗戳晌，Lmin 應(yīng)通過調(diào)整 k 和 f 來確定大小鲫尊。我們通常會將 k 設(shè)計為介于 3 到 10 之間沦偎，并且許多電力電子應(yīng)用會將 f 保持在 50 kHz 左右或更低。但是豪嚎，此時看到 100 kHz 范圍內(nèi)的開關(guān)頻率并不少見搔驼。在各種應(yīng)用可能需要單個轉(zhuǎn)換器的情況下，我們必須考慮方程式 3 中每個參數(shù)的平衡侈询。圖 3 中的電容器將控制負(fù)載上的紋波電壓。紋波電壓是當(dāng) PWM 輸入分別打開和關(guān)閉時扔字，由電容器的恒定充電和放電引起的負(fù)載電壓的微小變化囊嘉∥录迹可接受的紋波電壓水平是降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計中必須規(guī)劃的另一個設(shè)計考慮因素扭粱。如果我們知道所需的紋波電壓Z大水平 (ΔV0-pp)，公式 4 允許計算Z小電容水平琢蛤。
假設(shè)我們有以下配置：
? VS = 12 V
? RL = 100 歐姆
f = 50 kHz
? Pmax = 1.44 瓦
? Pmin = 0.36 瓦
? 紋波電壓 <= 3 mV
如果我們想確保我們可以將持續(xù)電流保持在 6 V蜓堕，我們可以假設(shè) D 為 50%。 實際上博其，D 可能會根據(jù)各個組件的大小略有不同，但 50% 是一個很好的起點贺奠。
請注意霜旧，如果我們想進(jìn)一步降低所需的電感，我們可以提高 PWM 頻率挂据，直至晶體管的Z大開關(guān)頻率。 例如儿普，如果我們知道我們有 470 μH 的電感器可用崎逃，我們現(xiàn)在可以進(jìn)入并找到所需的開關(guān)頻率以使上述方案工作眉孩。 在隨后的案例中个绍，我們需要 53.191 kHz 的開關(guān)頻率來確保連續(xù)電流浪汪，同時將負(fù)載兩端的電壓降至 6 V。
我們現(xiàn)在可以調(diào)整電容器的大小以考慮輸出端所需的紋波電壓死遭。
圖 3 中電路的左半部分是對現(xiàn)實的過度簡化广恢。 為了正確考慮輸入端的各種電壓電平以及 PWM 輸入和源電壓之間的不同電平，需要增加復(fù)雜性呀潭。
如圖 4 所示，電路的右半部分與上面的圖 3 相同钠署。但是糠聪，電路的左側(cè)包含必要的邏輯，以允許外部輸入正確啟用開關(guān)舰蟆，而不會損壞任何組件。這種開關(guān)設(shè)計對于大多數(shù)開關(guān)型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器都是有效的。我們基本上已經(jīng)使用 P 溝道 MOSFET 創(chuàng)建了一個高側(cè)開關(guān)夭苗。我們使用 NPN 晶體管為 MOSFET 提供所需的柵極輸入，并用我們的 PWM 輸入驅(qū)動晶體管上的柵極题造。該 PWM 輸入可以來自大多數(shù)頻率接近 50 kHz 的函數(shù)發(fā)生器。在下一節(jié)中猾瘸，我們將評估設(shè)計并從上面測試我們的預(yù)測界赔。
使用上面的圖 4，我們現(xiàn)在將同時使用 Multisim 和 LT Spice 來模擬和測試我們上面設(shè)計的有效性牵触。Z終，我們的目標(biāo)是在實施前在模擬中基于理論測試預(yù)測揽思。此外袜腥，我們將研究這種設(shè)計的預(yù)測效率。與使用開關(guān)型轉(zhuǎn)換器的重點保持一致羹令，正常目標(biāo)是在設(shè)計范圍內(nèi)實現(xiàn)接近 90% 或更高效率的效率。然而损痰，我們預(yù)計隨著我們越來越接近組件設(shè)計的限制福侈，設(shè)計在仿真和實踐中都會失去效率卢未。此外肪凛，根據(jù)設(shè)計辽社，我們預(yù)計增加的開關(guān)頻率會導(dǎo)致效率降低伟墙，因為每個開關(guān)周期滴铅，都會有一段時間 P 溝道 MOSFET 有高電壓和電流通過它远荠。這種轉(zhuǎn)變的持續(xù)時間不會隨著頻率的增加而改變失息。然而譬淳，P 溝道 MOSFET 內(nèi)這個過渡期的總時間比率會隨著開關(guān)頻率的增加而自然增加№锞ぃ回想一下，使用高開關(guān)頻率的主要原因是降低所需的電感值 L1绎秒。
為了估計設(shè)計的效率浦妄，我們僅測量負(fù)載兩端的功率，并將其與電源輸出功率進(jìn)行比較。使用 MultiSim剂娄，我們能夠非常輕松地探測電路中的兩個點蠢涝。在實踐中，我們需要測量每個點的電流和電壓以進(jìn)行比較和二。
通過提供從 100% 到 10% 的各種占空比值，獲得了以下結(jié)果耳胎。 主要觀察結(jié)果是降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計導(dǎo)致效率隨著占空比的降低而降低惯吕，如下所示。
根據(jù)上表中建立的基線結(jié)果怕午，我們的目標(biāo)是設(shè)計一個可配置的印刷電路板 (PCB)废登，使學(xué)生能夠基于組件關(guān)系的基線知識測試各種假設(shè)郁惜。例如堡距，要測試的一些有趣假設(shè)是：
開關(guān)頻率與觀察到的效率之間的關(guān)系
電感與開關(guān)頻率的關(guān)系
電容與紋波電壓的關(guān)系
為了適應(yīng)如上所述的快速探索，可以輕松更改關(guān)鍵組件 L1兆蕉、C1、C2 和負(fù)載值的可配置 PCB恨樟。此外半醉，我們希望允許各種技術(shù)來提供反饋和控制占空比或 PWM 信號源。
為了實現(xiàn)允許我們探索既定設(shè)計目標(biāo)的模塊化電路劝术，圖 4 中的電路被設(shè)計到以下 PCB 中缩多。值得注意的是，目標(biāo)是實現(xiàn)一個簡單的實驗室輔助設(shè)備衬吆，而不是一個商業(yè)級 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器。與其將任何電容器绳泉、電感器或負(fù)載永久固定在板上崭捍，不如使用簡單的接線端子葱弟。雖然這個設(shè)計可以很容易地在基本的原型板上構(gòu)建，但我們選擇設(shè)計一個可配置的 PCB 來幫助更快地研究關(guān)鍵概念，而不是讓學(xué)生構(gòu)建原型所花費的時間缴淋。雖然原型設(shè)計工作很有價值装处，但這不是本實驗室實驗的目的离钝。
圖 7 中的圓圈區(qū)域突出顯示了可用于更改圖 4 中的 C1、C2月腋、L1 和負(fù)載值的接線端子蟀架。
圖 8 中帶圓圈的區(qū)域顯示了可以向控制器提供 PWM 信號的位置瓣赂。在大多數(shù)情況下，PWM 輸入將連接到左下角的圓圈區(qū)域煌集。但是，如果您使用的是 TL-5001 PWM 控制器之類的芯片捌省，則需要在中心圓形接線端子中提供輸入苫纤。使用中心端子塊將繞過 NPN 晶體管并將信號直接提供給 P 溝道 MOSFET。此外所禀，中央接線端子允許您在 P 溝道 MOSFET 的柵極和 NPN 晶體管的集電極之間連接一個附加電阻。
圖 9 中圈出的接線端子提供與負(fù)載并聯(lián)的分壓器輸出放钦。該分壓器可以定制配置，以提供各種不同的電壓電平操禀，以結(jié)合反饋回路褂策，以允許動態(tài)控制負(fù)載上的占空比和輸出電壓。
圖 10 顯示了按照圖 4 中的設(shè)計完全配置的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器 PCB颓屑。
在本節(jié)中斤寂，我們將把降壓轉(zhuǎn)換器的性能與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。 正如您在下面的表 2 中看到的那樣揪惦，效率確實如模擬所預(yù)期的那樣下降，但總體趨勢和幅度相似器腋。 此外溪猿，負(fù)載兩端的電壓與我們的模擬非常匹配（每個占空比在 0.2 V 以內(nèi)）。 顯然纫塌，我們可以預(yù)期實際組件會出現(xiàn)一些變化诊县，但下面的結(jié)果提供了一定程度的基本保證，即我們的降壓轉(zhuǎn)換器按預(yù)期工作依痊，并且始終是深入調(diào)查之前的第①步。
5.2 P 溝道 MOSFET 的柵極源極電壓
有了這個基本比較怎披，我們現(xiàn)在可以進(jìn)行一些額外的測量來觀察所選組件的功能區(qū)域胸嘁。一項有趣的測量是測試 P 溝道 MOSFET 的柵源電壓，以確保它低于組件數(shù)據(jù)表中指定的Z大值凉逛。根據(jù)數(shù)據(jù)表缴渊，VGS,Max = ±20V鱼炒。使用示波器上的數(shù)學(xué)通道和兩個輸入通道衔沼，我們可以測量柵極和源極的電壓蝌借，如圖 11 所示指蚁。如下所示菩佑，即使存在過沖，我們也永遠(yuǎn)不會接近組件的極限.
在圖 11 中凝化，我們繪制了通道 A 上的 P 通道 MOSFET 柵極電壓和通道 B 上的 P 通道 MOSFET 源極電壓。然后我們使用數(shù)學(xué)通道來找到 VGS搓劫。即使有過沖瞧哟，我們也永遠(yuǎn)不會接近組件的極限。然而枪向，當(dāng)我們將降壓轉(zhuǎn)換器的輸入源電壓增加到 16 V 時勤揩，如圖 13 所示，過沖測量為 -18.62 V秘蛔。因此，我們可能會在高于 17 V 左右時損壞 FET 柵極深员。
在不移動示波器輸入探頭的情況下负蠕，我們可以進(jìn)行另一個有趣的測量。我們可以測量從 PWM 信號變高到 P 溝道 MOSFET 的柵極電壓穩(wěn)定為零的時間倦畅。通過將Z左邊的光標(biāo)設(shè)置為參考遮糖，我們可以知道這個時間是 1.5 μs。像這樣的測量可以為給定所選組件的開關(guān)頻率上限提供支持止吁。
之前演示的測量只是您可以使用此板進(jìn)行的探索類型的一小部分。 顯然燎悍，我們可以更改組件值來檢驗各種假設(shè)敬惦。 此外，您可以創(chuàng)建一個反饋回路并讓學(xué)生設(shè)計一個 PID 控制器來保持恒定的電壓輸出谈山。
像 Moku:Go 這樣的一體式儀器系統(tǒng)提供了一種靈活的解決方案來增強專用實驗室俄删，并且在許多情況下可以提供更高的靈活性，以更高的重復(fù)性和頻率為學(xué)生帶來演示畴椰。 當(dāng)與上面討論的定制實驗相結(jié)合時，我們可能有機會打破目前阻止許多學(xué)生選擇學(xué)習(xí)電氣和計算機工程的某些障礙鸽粉。
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