【个人经验分享】Buck电路还能这样用?有点操作!

最近好奇拆开了我的低功耗分析仪,看到上面有一坨坨电路很是奇怪,就是下图中圈起来的这个电路,表面上看,这个电路是一个5V转3.3V的Buck降压电路,但是他用的电感确很是奇怪,用的电感竟然是一个四个腿的电感。

那么机智的我通过电感上的丝印搜索,查到了这个电感是一个耦合电感(其实我感觉也就是小型的变压器,只不过叫耦合电感),感量是15uH,饱和电流是0.77A。那么就很奇怪了,为什么一个Buck要用耦合电感呢?

然后搜了搜找到了这个大致的电路图,可以看到这个电路和Buck是相似的,区别只是多了上面那一部分,看起来有点像Buck+反激的那种感觉。他的电路图如下所示:

然后突然间我就想到了之前读过的MPS的电源小课堂里的一篇文章《就说上网能学到真东西吧!MPS手把手教你搭隔离BUCK》,这个不就是电源小课堂里讲到的隔离Buck拓扑吗,本来以为这个电路不会有什么使用范围,现在终于见到活的了! 而且看起来还非常好用诶!

这个隔离Buck是将反激与 Buck 小尺寸的优势结合起来,通过将传统 Buck 拓扑中的电感换成带有二次绕组的耦合电感,增加功率二极管和滤波电容演变而来。隔离Buck拓扑图如下所示:

在MPS电源小课堂里有对这个工作原理有详细的描述,这一部分我就照抄MPS官方的原理解释吧。官方解释如下:

那隔离 Buck 电路具体是怎么工作的呢?下面我们对两种工况下的工作状态进行分析:

首先,当输出 Vo1 为重载,Vo2 为轻载时,上管 Q1 导通期间,下管 Q2 和次级的整流二极管截止,此时原边电感只有原边励磁电流 IM 流过,原边电感电流 IL=IM

上管 Q1 截止时,下管 Q2 和次级的整流二极管导通,次级电流 IL2 反射到初级绕组的电流为 IL21,IL21 为负方向。公式如下:

IL21/IL2=N2/N1

IL21=IL2*(N2/N1)

流过电感的原边电流 IL1 是正向励磁电流 IM 与负向 IL21 电流的和:

IL1=IM+IL21

由于 Vo1 为重载,Vo2 轻载,IM 大于 IL21,原边电感电流 IL1 方向为正向。

而当 Vo1 为轻载,Vo2 为重载时,Q1 导通时工作模式和之前所介绍的相同。

这里重点介绍下 Q2 导通时的工作原理:由于 Vo2 为重载,IL2 反射到初级绕组的电流 IL21 会逐渐大于励磁电感电流 IM,原边电感电流 IL1=IM+IL21 则逐渐由正变负,电感电流反向。

所以 Q2 在这种工况下不能采用二极管(也就是不要用异步Buck)。因此若采用 Buck 芯片来构建隔离 Buck 电路时,需要选择工作在 FCCM 的同步 Buck 芯片。

这个隔离Buck的拓扑的输出电压计算公式大致如下:

那么学习了MPS电源小课堂的文章和视频之后,钳工也大致总结了一下这个拓扑使用起来有这些需要注意的地方,分别是以下五点:

1. 副边是开环的,没有反馈,输出电压与耦合电感器的匝比有关,交叉调整率以及纹波可能会有些差,对这个需求高的可以额外加一级LDO稳压。

2. 如果副边的功率比原边功率小的情况下,只能使用同步的BUCK芯片,并且要工作在连续电流CCM模式。如果使用异步二极管那种,无法完成负向电流的处理,副边电压会输出异常。

3. 注意原边和副边的耐压需求,选取合适的耦合电感(本质上也就是变压器)

4. 由于原副边是相互隔离的,所以也可以进行多种组合,例如把副边的正极接到原边的GND,那么就可以组合出来负压。或者把副边的GND接到原边的正极,那么就可以做高边的NMOS驱动或高边的电流采样。

5. 这种耦合电感型号不是特别多,没有特别多替代料,必要的话也可以定制变压器。

我查了一下,MPS也有这种类似的可以设置为FCCM模式的buck芯片,大家也可以看一看MP2330,这种工作在CCM模式的芯片,下图是MP2330的规格书的定义:

或者也可以选取可以自己配置可以工作在FCCM模式的Buck芯片,类似MP4582这种可配置的:

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那么今天也是学习到小妙招的一天,这电路还是很不错的看起来,那么各位朋友有使用过这个拓扑吗?欢迎留言讨论哦