BUCK降压控制电路指南

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前言

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与前几篇文章类似,BUCK控制电路拓扑类似于BOOST控制电路,在弄懂BOOST拓扑结构的基础上,就可以搭建BUCK电路。BUCK电路相较于BOOST电路的优点在于,可以空载运行,也不用担心占空比开到满会出现爆炸的情况。下面是BUCK电路的控制方案和具体电路


一、软件思路

单片机输出一路PWM信号,PWM占空比越高,输出电压越高。PWM占空比越低,输出电压越低。通过电压电流检测电路,检测输出电压或输出电流。通过PID电路控制输出电压电流的跟随,若想要执行电压追踪,则将采集到的电压送入PID中,与目标电压做对比,比目标电压低,就提高PWM占空比,比目标电压高,就降低PWM占空比。若想要执行电流追踪,则将采集到的电流送入PID中,与目标电流做对比,比目标电流低,则提高PWM占空比,比目标电流高,就降低PWM占空比。

二、硬件电路

1、主电路拓扑

首先说一下具体思路,你需要明确这个条件,想要控制输出电压和电流的大小,需要用到DC-DC变换板,也就是通俗的直流电压变换。由于输入电压大于输出电压,所以选用buck电压拓扑,也就是降压电压拓扑。

降压拓扑选择同步整流电压拓扑,电路图如下。主要控制方案是通过单片机控制LO和HO口的占空比,从而最终控制输出电压的大小。同步整流降压拓扑的工作原理在于,拥有两个开关mos管Q1和Q2。Mos管是电压控制管,当开关管的GS端大于一定电压差时,开关管呈现导通状态。当开关管的GS端无电压差时,开关管呈现截至状态。那么根据这个特性,我们令两个mos管对应的PWM控制信号完全相反,那么在同一时间,由于GS的电平只有高电平和低电平两种状态,PWM控制信号相反就代表GS电平相反,那么在同一时刻Q1和Q2只有一个能够导通。根据这种情况,第一种工作状态,Q1给高电平,Q2给低电平,那么Q1就导通了,Q2就截至了。这个时候相当于输入电压不能跟电路中的L1电感充电了,电感一旦没有充电,那么就会产生一个反向的电动势。这个时候我们看第二种工作状态,第二种工作状态就是Q2mos管导通,Q1mos管截至,电流随输入经过Q2经过电感L1再流向负载,此时负载电压就等于输入电压。那么第一种工作状态时,由于之前第二种工作状态充电方向是从左至右,所以当停止充电时,那么电感上面就会产生一个左负右正的电动势,此时负载电压就等于电感电压。

那么这个时候,电感电压永远不可能超过你的输入电压,所以如果第一种工作状态越久,那么输出电压就会越低。第二种工作状态越久,输出电压就会越接近输入电压。那么控制第一种工作状态和第二种工作状态的占比就需要PWM去控制。因为我们用的驱动电路是只需要一个PWM控制信号,LO口对应的是PWM控制信号的反向信号,因此单片机只需要输出一个PWM控制信号,这个PWM控制信号占空比大,对应LO口占空比就小,导通时间就越小,第二种工作状态就越长,电压就越大。所以输入PWM占空比越大,输出电压就越大,占空比越低,输出电压就越低。
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2、驱动电路拓扑

驱动电路如下,需要理解的就是PWM_IN口,PWM_IN就是单片机输出的PWM口。比如我们输入一个20khz占空比为40%的方波进来,那么通过IR2104S半桥驱动芯片,即可再LO口得到20khz占空比为60%的方波,HO口得到20khz占空比为40%的方波。HO和LO口直接接入到主电路中对应的接口处。
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3、采样电路拓扑

直流电压采样电路如下,通过运放实现采集电压的缩放。DC_OUT+是我们检测到的直流电压,这个地方可以直接连接到主电路的输出电压口,假设输出电压是33V,通过R24和R22电阻分压,在运放的3号口能得到33V1/(33+1)的电压也就是33/34v。根据运放的虚短虚断,2号口电压也为33/34v。再通过R25和R23电阻分压,在运放的1号口得到33/3434/33=1v的电压。再通过一个电压跟随器降低电压阻抗,最终到输出电压口得到1V电压。因此输入33V电压,可以输出1V电压。这个1V的电压送入单片机内部进行检测,当单片机检测到1V以后,通过内部乘以电压系数就能够得到正确的输出电压。此处电压缩放比为33倍,通过改变R25和R24的大小,即可得到不同的缩放倍数。
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电流检测电路如下,采样电路R30为10mΩ。其中I_IN口接入输出负载的负极,GND连接电路的GND。假设有1A的负载电流,则这个电流会流入10mΩ,就会得到10mv的采样电压。U9是INA213电流放大芯片,可以将采样电压放大五十倍。那么10mv放大五十倍的话,就能得到500mv的电压。再次说明,R28,C15,R27组成RCR的滤波电路,是用来滤波的,无其他作用。得到的500mv电压通过电压跟随器最终送入单片机内部进行检测,那么我们检测到500mv电压就代表负载电流为1A,因此根据这个电压和电流的转换关系,即可检测到6A以下的负载电流。
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总结

根据上面几个电路,能够得到输出的电压和电流,以及通过PWM驱动输出改变电压和电流的大小,通过采集到的电压和电流与目标电压和电流进行对比,想增大输出电压和电流就增加PWM输出占空比,减少输出电压和电流就减小PWM输出占空比。

PCB布局上需要注意的是,信号线用覆铜包裹,尽量短且直,不要太粗,信号线不要绕。像电感电容等器件尽量紧凑,减少杂散电容电感带来的影响。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-431478.html

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