降压转换器拓扑结构简析3

降压转换器3——降压转换器设计实例

今天继续分享介绍降压转换器的一些知识。本节说明了前面讨论的方程如何用于降压转换器的设计过程。

设计参数

设计要求是：

•输入电压：VDC = 12V±30％

•输出电压：VOUT = 5V

•输出电流平均值IO nominal = IO, av, nom = 2A

•输出电流最小平均值（保持CCM模式）IO limit= 0.1 IO,av,nom = 0.2A

•电感电流纹波(I2 - I1)=ΔIL= 2 IO, limit= 0.4A

•开关频率= 200 kHz

•输出纹波电压= 50 mV

•输入纹波电压= 200 mV

设计过程

占空比计算

转换器设计在连续模式下运行，因此可计算占空比如下：

•Dnominal = VOUT / VDC = 5/12 = 0.42。

电感值计算

在连续模式下的电感正常值计算如下式

在最大输入电压下将系统处于连续模式所需的电感值如下式所示：

在最小输入电压下系统处于连续模式下的所需电感值如下式所示：

考虑降压转换器在最高输入电压下处在最恶劣情况下，得到结论至少42μH的电感将阻止转换器在整个输入电压范围内不连续。

实际上，如果选择最小的电感L=26μH，最大输入电压（VDC =15.5V）将导致电流纹波I2 - I1 = 0.85A。相反，电感L =42μH，输入电压为8.5V，电流纹波为0.17A。这意味着任何大于42μH的电感都适合。

输出电容

假设选择具有ESR =30mΩ的电容，容值计算如下：

输入电容

使用相同的方法计算输出电容，然后使用下式计算输入电容。

续流二极管选择

然后计算TON期间二极管上的最大反向电压，如下式所示。

计算二极管中的平均电流，如下式所示。

MOSFET选择

选择MOSFET的关键参数是平均电流和最大电压，得到的计算结果如下两式所示。

MOSFET中消耗的功率可以用下式计算，其中使用VF=1V和Tsw= 100ns（这里假设开通和关断时间都为100ns）的典型值。

仿真验证

利用Simplis搭建模型如下：

进行瞬态仿真如下：

POP仿真如下：

从稳态下电感电流波形可知转换器工作在CCM模式下。

考虑最恶劣情况，即输入电压Vin=15.5V下的稳态工作波形如下：

可见系统也还是处在CCM模式下。

总结一下看看42uH的电感值在不同输入电压下的工作波形：

大家其实可以注意掉其实在这个输入电压范围内我们选取的42uH似乎永远不会进入DCM模式，其实很简单，我们这里选择的电感电流纹波系数其实偏小，而且是在满载下仿真的。

大家可以尝试修改电感电流纹波系数以及修改输出负载电流设置然后再看看我们选取电感值的方法是否正确。

前面讨论的其实都还是很基础的，还有很多高级话题我自己也在学习当中。关于降压转换器的控制策略以及环路补偿设计，我们后面再详细讨论。