Buckboost电路讲解

当输入电压高与输出电的时候，用一个buck电路来实现，控制开关管的开通时间就可以说实现了想要的输出电压了。但是Buck电路一定要是输入大于输出的电压，也就是指输入电压变化范围内电压一直要大于输出电压才可以。

如果输出电压比输入电压高的时候，就会用到下面的升压电路了，可以把输入低压升高到想要的电压。升压电压电路也是一样，是要输出电压在整个输入电压变化范围内都要高与输入电压，如果输入电压高与输出的会导致输入与输出直通了。

Buck是要求输入电压大于输出电压，Boost是要求输出电压大于输入电压，如果有一个输出电压在输入电压的变化范围内，也就是说有一部分是输出电压大于输入电压，有一部分是输出电压低于输入电压，还会有等于输入电压的时候，当出现这种现象的时候，我们不能用buck也不能用boost电路，两个电路都有一部分不能实现，当然可以用两个并联去做，当输入电压低的时候用升压，当输入电压高的时候用Buck电路，也可以实现，但是这个控制太难把握了，当输入相等的时候，如果出现一定扰动就很难去控制了，但是我们串联起来用会怎么样了，下面我看下把buck与boost串联起来应用的图。

上面的图能实现升降压的功能，就是先把输入电压降下来然后在去升压，控制方式就是控制两个MOS管同时开通与关断就可以实现了，因为当Q1开通的时候，输出电压与输入的关系是，当占空比的变小输出电压变小，占空比变大的时候输入电压变大，而Q2是开通是升压，对于升压的输入电压就是buck的输出电压了，升压电路的输出电压与输入电压关系就是，从公式中我们看的出当输入电压不变，占空比变大的时候，输出电压变大，当占空比变小的时候，输出电压变小，

与buck电路是一样的单调性，这样我们就可以控制两个开关管同时开与同时关，就能实现升降的功能了。但是我们看图上的元器件比较多，是不是可以减少些，我们知道升压电路的输入可以是一个变化的电压，既然可以是变化的电压，那能不能把C1去除，其实是可以的，因为buck电路里面只有电感足够的大可以不用加C1电容，只是纹波电压大点，但是后面还有L2与C2滤波，所以没有关系。

当去除电容C1的时候，L1与L2就是串联了，所以L1与L2可以合并成一个。变成了下面的电路

我们首先来看下开通的回路是Vin→Q1→L→Q2在回到了电源的负，整个回路与输出没有关系。

当开关管关断的时候的电流回路是L→D2→负载→D1，当D1导通的时候电感的一端被钳位到了输出的地了（忽略了二极管压降）。整个回路与输入是没有关系。

从上面的图上看到啊，当MOS管关断的时候，因为有MOS管Q1，所以不管输入大于输出，都不会有输入电压参与输出的回路，而且当MOS管关断的时候，二极管D1导通了，等于电感被钳位到了地上面，根据上面的图，如果我想要在减少元器件的话，可以让开通的回路与关断的回路不再共地就可以了。

如下图所示，这样只是输出与输入的的正负极反了下，这就实现了与我们的降压电路或是升压电路一样的元器件。只有一个开关管，一个二极管，一个存能电感。

mos管的热阻讲解

电子产品里面半导体器件是非常常见的，半导体器件的应用是会产生热量的，比如说我们的手机芯片在玩游戏的时候发热比较厉害，如果温度高了手机可能会死机等，为了不让手机死机，工程师们就只能解决功耗与扇热的问题，那么功耗与散热的问题就需要关注一个叫热阻的东西。经常查看半导体的规格书的时候，几乎都会有关于热阻的参数，经常看到的是Rja，Rjc，Rjb这三个参数，对于这三个参数很多人都搞不清楚，在实际运用中不知道用那一个参数来计算。

首先我们先来了解几个基本概念。

Ta（Temperature Ambient）环境温度

Tc（Temperature Case ）  外壳温度

Tj（Temperature Junction） 结点温度

Ta 环境温度就是指开关管的周围环境温度，一般规格书里面给出来的都是25℃一个我们的电子产品里面经常会用到的室温环境温度。

Tc 外壳温度就是指半导体器件的封装表面的温度，而对于MOSFET我们经常看到有塑封与铁封的封装，如果是铁封的封装这个TC一般都是指可以靠散热器的一面金属片上的温度，这个温度一般我们都能测试到。

Tj 结点温度是指半导体的内部晶圆的温度。

规格书上的Rja、Rjc、Rjb的概念。

Rja是指半导体晶圆到环境的总热阻，就是结点到环境温度的热阻

Rjc是指半导体晶圆到外壳的的热阻。

Rjb是指半导体晶圆到PCB的总热阻。

知道Rja，Rjc，Rjb的概念后，在实际的应用中就知道怎么去应用了，对于开关电源中的半导体比如二极管，三极管，MOSFET等通过电流就会有损耗产生，有损耗产生就会发热，热量是由晶圆内部向外传导的，晶圆的温度是最高的，所以功率半导体器件经常要去计算最大温度，因为晶圆温度是不能超过最大的结点温度，一般半导体的结点温度在规格书里面会给出来是150℃。那么不同封装的半导体计算时用的不一样，比如To-220封装的MOS管，如果不用散热器的情况，就是晶圆通过外壳向周围的空气散热，所以计算温度的时候就用Rja，计算公式是Ta=Tj-P×Rja，

如果MOS管的总损耗是知道，那就能计算出晶圆的温度是多少，比如Rja 是62℃/W  如果损耗是1.2W 环境温度是65℃，那么MOSFET的结温是多就可以计算出来了，Tj=Ta+P×Rja=65℃+1.2×62℃/W=139.4℃

反过来结温是不能超150℃，如果最大环境温度是65℃，没有加散热器的情况，Rja=62℃/W

MOS管上的最大损耗  P≤（Tj-Ta）/Rja=1.37W, 通过计算最大损耗不能超过1.37W。

如果是加散热器的要分两种情况：

1、加的散热器非常大并且接触足够良好接触热阻非常小可以忽略，Tj=Tc+P×Rjc 那么这个时候的TC就是半导体的外壳表面的温度。

Rjc=0.6℃/W，如果测试外壳温度是25℃，那么最大的功率P=（Tj-Ta）/Rjc= (150-25)/0.6=208W，这个在规格书里面有标注最大功率就是这样计算出来的。

下面我们来看降额曲线图

我们看降额曲线图，外壳温度在25℃以上功率就开始降额了，这个降额曲线图是根据最大结温150℃与Rjc与外壳表面温度Tc的关系，最大功率是208W  Rjc是0.6℃/W  

降额曲线图的公式  P=（Tj-Tc）/Rjc  Ta≥25℃  ，P=Pmax  Tc＜25℃。

2、加了散热器但是散热器是有限的情况，并且接触MOSFET与散热器接触是有热阻的情况，这种情况下  Tj=Ta+P×(Rjc+Rcs+Rsa)  ,这里的Rcs 是指MOS管与散热器接触的热阻，Rsa是散热器对环境温度热阻。而实际用于中我们经常是散热器有限，接触的时候经常是有绝缘片的，所以我们在高温里面测试开关管的温度的时候，经常是要求最高温度在120℃-130℃，因为这里Rjc+Rcs+Rcs＞0.6℃W的原因。如果表面温度高了，里面的结温就会超过150℃。

过流保护的讲解

过流保护对电源来说是一种标配了，可以说所以的电源都会有过流保护功能，过流保护可以分为关断保护与限流保护两种。

关断保护是，当过载后，电路检测到电源过流了，电源芯片停止PWM，过流故障解除后也不会重新恢复正常。

限流型由于其具有电流下垂特性，故障解除后开关电源能自动恢复工作，因此现在应用比较广泛。现在很多芯片有两个检测点，第一检测点检测电流过流后关断当前PWM，当过流恢解除后，PWM恢复正常，当到第二检测点触发后，芯片PWM停止并锁死，必须AC断电才能重启。

限流型电源检测来说，大多时候我们是在MOSFET下串联一个功率电阻，然后用RC滤波后给芯片过流检测点。图1中的R2就是限流电阻，R5与C4组成RC滤波器

R2的电阻在选择的时候需要注意几个事项

1、限流电阻R2的阻值

2、限流电阻的功率选择

3、限流电阻的材质

限流电阻的阻值选择，要根据原边最大峰值电流Ipk与CS脚检测的过流电压来

一般电阻上的最大电压取CS过流保护点电压的

70%，然后根据设定的电压与电流计算出来阻值

我们知道阻值后，根据原边有效值电流可以计算出实际每个周期的功率，根据实际功耗去选取电阻所需要的功率，选取的功率是实际功率的3-4倍

限流电阻选阻值与功率选取好后，就需要选取材质了，限流电阻可以用插件也可以用贴片，用插件电阻时候需要注意不能用有感电阻，这是特别需要注意的地方

这颗电阻选取一个要求精度1%，并且是无感电阻。

如果用了有感电阻会出现什么情况我们来分析下

首先当驱动为高电平的时候，假设G对地有一个12v的电压，当MOS管开通的时候，因为di/dt比较大，有感电阻的电感可能出现上正下负的电压，这个时候GS点电压就小于12V，

当驱动为低电平的时候，G对地是0V电压，MOS管关断，这时候寄生电感出现了上负下正的电压，因为MOS管关断，没有电流流过，那限流电阻的电压是0V，那么S极就出现了一个负压，而G极是0V，那GS间的电压与寄生电感上的电压幅值一样，如果寄生电感大的话，有可能出现二次开通现象。所以选取电阻时需要选取无感电阻。

限流电阻连接一个RC到芯片，这一个RC的作用是用来滤波作用的，现在很多的芯片都会有一个前沿消隐功能，但是前沿消隐的时间不一定足够所以还是有加了RC，我们可以看下面的图，限流电阻上的电压波形有一个很大的震荡，有时候这个震荡的尖峰会超过我们的限流电压，但是这是寄生参数引起的，一般很难控制，加RC滤波后，到B点的波形就没有了这一个震荡，被RC滤除了。RC的是根据截止频率来设计得，一般是开关频率的10-30倍，如果是60kHz的开关频率时，我们会选择1k电阻与100pF电容，大概的截止频率1591kHz。

前沿消隐是芯片的功能

这一个功能就是芯片在发出驱动波形MOS管开通后，一段时间不去检测是否过流，这个时间大概是200-300nS，不同的芯片有所不同。 

随功率的增大，原边的MOS管的电流也会变大，那么我们的限流电阻上的损耗就会增加，当达到一定值后，限流电阻需要选取非常小的电阻值，可能这一电阻值小到PCB上的走线的寄生电阻都会在这一阻值上占一定比例，这时电阻就不好去选取了。这个时候就不再选用限流电阻，而改用的互感器来做限流，互感器本身就是一个磁性器件，通常是1:100的比例，它是有电感量的， 我们前面分析过MOS管串联电阻的时候，电阻不能用有感的，现在互感器本身就是一个电感，那么我们就需要改变接法了，如下图所示。

互感器应用的时候就需要注意了，他的应用是不能与MOS管S极连接，一般都是连接到D极，原因与接了有感电阻是一样的道理。

单级反激PFC变压器的计算

单级反激PFC变压器的设计，单级反激PFC是结合了PFC与反激的两者的功能，

能够实现PFC的功能，也有反激的隔离功能，那么单级反激的变器计算与普通的变压器计算是不一样，普通反激的变压器是DC-DC拓扑，而单级反级的输入是一馒头波，那这样的馒头波电压在最低点的时候电压是为0V的，所以用普通的变压器计算是不行了的，

下面我们来根据PFC的计算方法来看下，

首先输入电压是一个正弦的交流，单级既然有PFC的功能，输入电流也是要跟随输入电压的，

那么变压器里面的平均电流应该也是一个馒头波。

根据在最大输出功率最小输入电压时输入电流最大。

那么输入最大有效值电流Iin就能计算出来，首先是确定好最小输入电压Vin_rms ,然后就是最大输入电压下的PF值。

那么Dmax是在最小峰值电压的占空比，要求占空比可以根据反激里面的反射电压Vor来计算就可以了，

首先的确定好开关管的最大电压VDSS，比如是650V，那么根据管子的应力，

Vin_max+Vor+尖峰电压≤90%VDSS

如输入电压最大值是264V，那么峰值电压差不多就是373V，尖峰电压一般是100V，Vor差不多就是120V，一般Vor不会超过输入最小电压的峰值。

根据反激里面的伏秒平衡可以计算出D

下面要计算圈数

计算圈数前先要确定好磁芯，

我们选择了PQ3225的磁芯。Ae值161

电感峰值电流

Buck电感感量计算

Buck变换器别名叫降压变换器，串联开关稳压电源。

作用是把输入高电压转换成人们需要的低压。不要市电是AC220V，整流滤波后是310V的直流，大多电子产品是低压电路，一般是5V、12V、24V、36V、48V等，这些低压的电子设备不能直接应用输入AC整流后的直流电压，必须用一个转换器转换成所能应用的低电压。当然能把高压转化成低压的转换器有很多种，Buck只是其中的一种，他的优点是效率高，体积小，不同负载下面稳压效果好。

线路组成主要的功率器件是由开关管Q1，二极管D1，储能电感L1，输出滤波电容C1组成，

下面在稳态的时候进行分析

当Q1导通的时候，电流是由输入端正流过Q1→L1→负载再回到输入的负，形成回路1，根据KVL在回路1里面这个时候电感L1两端的电压是Vin-Vo-Rds*I，忽略mos管的压降，电感两端电压VL=Vin-Vo. 导通的时间为Ton，电感电流是线性上升（在电感没有达到饱和前）

在Q1关断是电感电流达到最大lLmax.

当Q1关断的时候，因为点感电流不能突变，为了维持原理的电流，D1导通，电流的流向由L1→负载→D1→L1形成了回路2，根据KVL，在一个回路里面的电压为0，这个时候电感上的电压为VL=Vo+Vd，如果忽略二极管的压降，电感两端电压为Vo,关断时间为Toff

电感放电时间为Tm，

当Tm＜Toff时，电感电流是不连续，这种电感电流不连续叫断续模式（DCM）。

当Tm＞Toff的时候电感电流是连续，这种电感电流连续的叫连续模式（CCM）。

当Tm=Toff时电感电流刚好释放完，这种处在连续与断续之间的叫临界模式（BCM）。

我们看整个的回路1与回路2里，电感L1与负载一直都在，而输出的负载电流是恒定的Io。

输入电感电流在整个周期里面，一直是变化的，但是平均值电流是与输出电流一样就是Io。

又因为电感电流是线性增长后是线性下降的（电感不饱和），所以我们可以通过电感上的最大电流来判断电感是工作在连续还是断续。

当电感最大电流ILmax = 2Io的时候，电感电流是工作在临界，

当电感最大电流ILmax＞2Io的时候，电感电流是工作在断续，

当电感最大电流ILmax＜2Io的时候，电感电流是工作在连续。

下面是电感电流工作在连续与断续的波形。

从上图可以看出来，如果以输出电流为参考，当△I=2Io的时候，设置开关频率fs

这个时候可以根据U=L·di/dt，L就可以计算出来，推导过程如下。

在Q1导通的时候电感两端电压U=Uin-Uo，

dt为导通时间Ton，

电感的计算公式就是

假设一个12V输入的电压，输出电压为5V，输出电流为2A，开关频率为100kHz

需要计算下临界模式下电感的感量L

临界模式，那么电感上变化的电流△I=2·Io=4A

Ts=1/fs=1/100kHz=10μs

又因为是临界模式

首先输入电压范围Uin_min-Uin_max,输出电压Uo输出电流Io

这里计算电感的时候，我们需要知道，如果我们设计在输入最低电压电压临界，大于最低电压整个电感是断续的，如果我们设计在最高电压临界，在带满载的时候整个输入范围都是连续的。