电子设计竞赛电源题(4)-Buck与Boost电路
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? ? ? 小編做電賽題的時候第一個電路就是做BUCK電路，還記得那是16年的寒假，學長給我們布置了任務說寒假在家好好看看開關電源的知識，搞懂什么是BUCK、BOOST電路。最開始對電源題一點概念都沒有，不知道為啥我們參加比賽要“做題”，電賽做題難道是在試卷上答題嗎？現在看來真的很搞笑。不過學習就是這樣的，一個新的東西你不知道為啥這樣做，但是你就跟它搞慢慢的就搞懂了,要學會反向學習。
? ? ? ?說白了BUCK電路就是降壓電路，這個降壓電路不是買一個降壓的模塊，或者用一個降壓芯片實現的，而是通過開關管和單片機來實現的。同理BOOST電路就是升壓電路，這個升壓電路也不是買一個升壓模塊，或者用一個升壓芯片實現的，而是通過開關管和單片機來實現的。
? ? ? ?那么如何通過開關管和單片機來實現升壓和降壓呢？這就是我們要研究的主要內容，用哪種的開關管、用哪一款的單片機、用啥樣的電路板、多大的電感？先說開關電源再說BUCK最后再說BOOST。
一、開關電源基本原理
1.1 ?簡介
??在大多數人的眼中，直流電源用來提供持續的電流、恒定的電壓，那么電能在電源（或電壓轉換器）的輸入端與輸出端一定是連續傳輸的，在電源內部的轉換過程也一定是連續流動的。對于線性穩壓電源來說是這樣，但是對于當今應用最廣泛的開關電源來說并不是這樣。在開關電源的內部，能量被分割成間斷的小份，系統將這些小份的能量依次從輸入端“搬運”到輸出端，再經過平滑濾波后以直流形式輸出。開關電源之所以有這樣看似“多此一舉”的特性，是與它所實現的功能密不可分的。
??線性穩壓電源對能量的處理是連續的，但是它有兩個缺點：只能實現降壓轉換和轉換效率低。當我們需要升壓變換，或產生負電壓，或高效率（或大功率）電源時，線性電源就變得不可用了。開關電源巧妙地利用了電感和電容兩個無源元件的儲能特性，又使用了快速的開關器件使直流電的轉換更加自由、高效。
??脈沖方式的電壓變換電路可以分為兩部分。一部分為脈沖控制器，根據輸出電壓的變化產生對應的脈沖信號，控制調整管的導通與截止時間。控制方式可以分為脈沖寬度調制(PWM)、脈沖頻率調制(PFM)和混合調制。另一部分則是對應的DC-DC電壓變換器，其功能即是在脈沖控制器的控制信號作用下，將不穩定的直流電壓變換為穩定的直流電壓輸出。按照輸出是否由調整元件等構成的其他部分隔離，可分為非隔離型和隔離型；按照開關元件的激勵方式，可分為自激式和它激式；按照調整管在直流變換器中的位置不同可分為串聯型(降壓斬波式)、并聯型(升壓式斬波型式)以及極性反轉式開關穩壓器。
1.2 ?脈寬調制技術（PWM）
??脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。PWM的產生一般采用直流電壓與內部鋸齒波比較生成所需PWM波，如圖所示。
PWM產生示意圖1.3? 拓撲以及衍生拓撲
??所謂“拓撲”就是各個關鍵器件之間的連接關系。開關電源中的關鍵器件是電感、電容和開關器件(一般為MOS管、二極管)，這三種器件之間的連接關系決定了電路所實現的功能。
??最基本的開關電源拓撲有：
??1.升壓拓撲(BOOST)：又叫升壓斬波器，輸出電壓大于輸入電壓，極性相同。
??2.降壓拓撲(BUCK)：又叫降壓斬波器，輸出電壓小于輸入電壓，極性相同。
??3.升/降壓拓撲(BUCK-BOOST)：又叫升/降壓斬波器，輸出電壓大于或者小于輸入電壓，極性相反。
??由這三種基本拓撲可以派生出多種拓撲，如Flyback(反激)，Forward(正激)，CUK，半橋，全橋等等。在電子設計大賽的題目中曾出現過Flyback(反激)變換器的設計，另外全橋和半橋也是我們經常會用到的拓撲。
二、BUCK壓型開關電源
2.1 ?BUCK電路原理
BUCK也是開關電源中常用的拓撲，它具有降壓功能。其工作過程介紹如下：
??當三極管或者MOS管輸入的波形為高電平時，三極管或者MOS管Q導通，二極管截止，儲能電感L1被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C充電，給負載提供能量。當三極管或者MOS管輸入的波形為低電平時，三極管或者MOS管Q關閉，二極管導通，儲能電感L1通過續流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C放電以及減小的電感電流維持，降壓完成。
BUCK電路原理圖
BUCK電路實物圖2.2? 設計技巧
??對于BUCK電路，過高的峰值電流是需要考慮的，可能導致開關波形出現較大的振鈴而使得MOS管燒壞。所以在布局設計的時候，首先還是確定主電路回路，堅持短而粗的原則。一般做BUCK電路的題目，都會是比較高精度的，所以對于電路硬性噪聲的控制必須要把握好。幾點需要考慮：
??主電路是否需要對EMI加以控制：在合適的地方放置磁珠，MOS管應該平放在PCB上，單片機控制器盡可能和電感，MOS管等隔離。
??采樣電路：對于BUCK電路，一般會要求高精度，所以我們首先要選取高精度的AD，一般必須得14位以上，選用采樣電阻方案一般是可行的，采樣電阻要盡可能粗，體檢計算好他的損耗，確保在在效率要求范圍之內。粗的采樣電阻意味著采樣范圍就小，所以一般我們會用一個高精度運放放大器去信號放大，同時也可以起到一定的隔離作用。
??單片機控制回路：對于數字電路部分，一定要注意保證電流不會回流，回流可能會發生在調試的時候控制波形出現問題，這樣就可能燒壞單片機IO口，所以隔離器還是建議添加的。對于單片機接在主回路上的5V或者3.3V電壓口，必須嚴格去耦，推薦10uf的鉭電容加上0.1uf的陶瓷電容，可以有效減小噪聲。
三、BOOST壓型開關電源設計
3.1 ?BOOST電路原理
??BOOST電路是開關電源拓撲的基本拓撲之一，是最能代表開關電源特性的拓撲。
??Boost電路的工作原理分為充電和放電兩個部分來說明：
??在充電過程中，開關閉合(三極管或者MOS管導通)，這時輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關。負載由電容C供電，隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。
??在放電過程中，開關斷開(三極管或者MOS管)時，由于電感的電流保持特性，流經電感的電流不會馬上變為0，而是緩慢的由充電完畢時的值變為0。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經高于輸入電壓了。電感電勢與輸入電壓疊加，迫使二極管D導通，一起向負載供電，并同時向電容C充電，升壓完畢。
??升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續的電流。如果這個通斷的過程不斷重復，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
BOOST電路原理圖
BOOST電路實物圖3.2 ?功率器件選型
1、MOS管
??MOS管是開關電源中唯一的有源元件，在對其選擇時需要首先考慮耐受程度的問題，即開通時的最大漏極電流ID和關斷時的最大漏源電壓Vds。在BOOST電路和BUCK電路中，MOS管上流經的最大平均電流就是電感平均電流IL；在BOOST電路中MOS管承受的最大電壓是輸出電壓Vo與二極管導通壓降之和，BUCK電路中MOS管承受的最大電壓是輸入電壓Vin與二極管導通壓降之和。
??其次需要考慮其開關速度問題。如果開關頻率較高或對效率要求較高，則應選擇開關速度快的MOS管。
??BOOST電路和BUCK電路還可改進成同步整流型，即將原來電路中的二極管換成MOS管，在工作時使兩個MOS管交替導通，可以改善因二極管導通壓降較大帶來的效率低的問題。處理得當的同步整流電路可以達到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一個MOS管也需要考慮耐受程度和開關速度等問題，控制電路還需適當加入死區，保證任何時刻兩個MOS管至多只能有一個導通。
2、電感
??電感值的確定是電感選型的關鍵。流經電感的電流一般都只有兩種狀態，上升和下降。我們選擇的電感值應保證在穩態時電感電流的變化量 不超過電流平均值的0.3～0.5倍，即
| 貼片電感 | 色環電感 | 貼片功率電感 |
| 空心電感 | 空心電感 | 貼片功率電感 |
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? ? ? ? 在做電源的時候我們一般采用線繞電感。顧名思義，線繞型電感是由導線（大多為帶絕緣層的導線）繞成空心線圈或帶磁芯的線圈繞制而成。它的特點是電感量范圍廣(uH～mH)，電感量精度高，損耗小(即Q值高)，容許電流大、制作工藝繼承性強、簡單、成本低等，但不足之處是體積和重量都較大。如果實驗室有磁環和銅線的話可以自己繞制，當然現在淘寶上有很多特定大小的電感可以去購買。
3、二極管
??非同步整流型電路中需要使用二極管。在選型時也需要考慮兩方面：耐受能力和速度。包括二極管的反向耐壓、正向最大電流以及反向恢復時間等等。一般來說大功率肖特基二極管是比較好的選擇，它具有較低的導通壓降、較大的最大正向電流以及極短的反向恢復時間。它的反向擊穿電壓較低(100V左右)，在某些電路中可能不適用。
4、電容
??在BOOST電路中要求電容有較強的帶負載能力，故應盡量選擇大電容（一般來說輸出電壓在幾十伏左右的應用可選擇幾千uF至10000uF）。而BUCK電路中對電容的要求相對弱一些，只需要滿足濾波器的濾波效果即可。BOOST和BUCK電路中的電容也不可選得過大，可能會造成電壓調節時電路反應慢的問題。
??開關電源中電容都要作為儲能元件，不允許有過多的電能損耗。故儲能電容要選擇低漏電、低ESR的電解電容。開關電源中一般會有比較大的紋波，所以電容的耐壓值還應留有30%-50%的裕量。
2.3 ?設計技巧
??在電子設計大賽的過程中，我們所設計的BOOST電路一般都是基于萬用板或者是PCB，關注點大多集中在指標和熱穩定性，電磁穩定性等。相當于是工業級電源系統的簡化版。
??我們知道對于BOOST電路需要在最惡劣的情況下(電感電流峰值)的條件下選擇器件，而電路布局同樣要在略高于最惡劣的情況下進行設計。
??對于電子設計競賽的電源系統電路設計，宏觀上我們主要考慮兩個回路：大電流回路和信號回路。大電流回路也就是你的電源系統會流過大電流的線，在BOOST電源中，BOOST主回路都將是大電流回路（如下）：
??在設計這個主回路的時候，我們就需要考慮所用錫線的電阻率和發熱情況，一般來說對于2A以上的電流線，我們一般采用2個萬用板洞間距的寬度(200mil)就足以應對最惡劣情況，發熱也小。同時較粗也可以保證在板子上承載大重量器件如電感電容的時候，板子不容易斷裂。同時我們需要做好地線的設計，因為對于BOOST電路，整個系統是共地的(不考慮反激等設計)，這個地線也將是信號的參考地，短而直的地線可以減少引線電感，降低電磁干擾，對于信號是有益的。我們一定要避免地線形成一個環，實際上任何信號線，功率線都不能自主形成一個環，通過法拉第電磁感應定律我們很簡單知道這樣會造成很大的磁干擾。所以我們的功率走線要盡可能緊湊。
??對于信號線來說，最重要的就是上面提到的地線噪聲，可以說，地線噪聲小，信號線噪聲就不會很大。為了進一步提高系統性能，這樣幾根線我們需要考慮：時鐘信號CLK，數據信號(取決于I2C或者SPI通信協議)，PWM驅動信號，電壓反饋信號，環路補償信號。
? ? ? ? 時鐘和數據信號還有電壓反饋信號一般是對于AD,DA來說的，AD,DA的數據采集和輸出對于整個系統至關重要，它關乎著你的算法能否實際的起作用，試想一下，需要采集的電壓是2V，而你的時鐘會經常抖動，電壓反饋信號的噪聲紋波達到了100mv，采集回來的電壓就由100mv的上下波動這就導致了你的控制精度被無限的降低，PID算法無法進行，系統就會崩掉。所以我們一定要重視這些信號走線的安置。
? ? ? ?一個最基本的要求就是信號線要短，區別于高頻信號，電源系統里面基本是低頻信號，因此我們不需要用到類似蛇形走線這種方式，但是屏蔽線還是可以起到很好的作用。我們還需要做的就是考慮任何將強電回路和弱電回路隔離，我們可以采用隔離芯片來實現PWM驅動信號和AD控制信號等的隔離，從輸出或者輸入經過分壓電阻回來的反饋信號我們可以通過一個運算放大器做一個跟隨器，利用他高輸入阻抗，低輸出阻抗的特性來做到隔離，當然用三極管做成跟隨器也是個可行的方案，對于單點接地還是多點接地，一般我們在低頻電路里面多點接地，單點接地理論上都可以，不過推薦還是單電接地，避免大電流的時候出現地線電平不均衡分布導致控制信號的參考量不統一。具體的做法就是對于每一個信號模塊我們都引出一個地，然后將這個地匯聚到一點再接到強點地上，可以采用一個0歐的電阻做一個弱隔離。
? ? ? ? ?在比賽的準備過程中，如果嘗試著做好了一個BOOST電路的完整回路，我們就可以考慮是否可以將其設計成PCB,作為以后的輔助電源系統，或者直接當作主回路重復使用，這是一個很好的習慣。特別是在調試一款AD/DA芯片方面也十分的適用。
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「第四篇」電賽控制題可以準備一些什么？
「第五篇」全國電子設計競賽-電源題設計方案總結
「第六篇」對于電賽，我們應該看重什么？
電子設計競賽電源題(1)-電源題簡介
電子設計競賽電源題(2)-檢波與采樣
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