电子设计竞赛电源题(4)-Buck与Boost电路
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小编做电赛题的时候第一个电路就是做BUCK电路，还记得那是16年的寒假，学长给我们布置了任务说寒假在家好好看看开关电源的知识，搞懂什么是BUCK、BOOST电路。最开始对电源题一点概念都没有，不知道为啥我们参加比赛要“做题”，电赛做题难道是在试卷上答题吗？现在看来真的很搞笑。不过学习就是这样的，一个新的东西你不知道为啥这样做，但是你就跟它搞慢慢的就搞懂了,要学会反向学习。
说白了BUCK电路就是降压电路，这个降压电路不是买一个降压的模块，或者用一个降压芯片实现的，而是通过开关管和单片机来实现的。同理BOOST电路就是升压电路，这个升压电路也不是买一个升压模块，或者用一个升压芯片实现的，而是通过开关管和单片机来实现的。
那么如何通过开关管和单片机来实现升压和降压呢？这就是我们要研究的主要内容，用哪种的开关管、用哪一款的单片机、用啥样的电路板、多大的电感？先说开关电源再说BUCK最后再说BOOST。
一、开关电源基本原理
1.1 简介
在大多数人的眼中，直流电源用来提供持续的电流、恒定的电压，那么电能在电源（或电压转换器）的输入端与输出端一定是连续传输的，在电源内部的转换过程也一定是连续流动的。对于线性稳压电源来说是这样，但是对于当今应用最广泛的开关电源来说并不是这样。在开关电源的内部，能量被分割成间断的小份，系统将这些小份的能量依次从输入端“搬运”到输出端，再经过平滑滤波后以直流形式输出。开关电源之所以有这样看似“多此一举”的特性，是与它所实现的功能密不可分的。
线性稳压电源对能量的处理是连续的，但是它有两个缺点：只能实现降压转换和转换效率低。当我们需要升压变换，或产生负电压，或高效率（或大功率）电源时，线性电源就变得不可用了。开关电源巧妙地利用了电感和电容两个无源元件的储能特性，又使用了快速的开关器件使直流电的转换更加自由、高效。
脉冲方式的电压变换电路可以分为两部分。 一部分为脉冲控制器，根据输出电压的变化产生对应的脉冲信号，控制调整管的导通与截止时间。控制方式可以分为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和混合调制。另一部分则是对应的DC-DC电压变换器，其功能即是在脉冲控制器的控制信号作用下，将不稳定的直流电压变换为稳定的直流电压输出。按照输出是否由调整元件等构成的其他部分隔离，可分为非隔离型和隔离型；按照开关元件的激励方式，可分为自激式和它激式；按照调整管在直流变换器中的位置不同可分为串联型(降压斩波式)、并联型(升压式斩波型式)以及极性反转式开关稳压器。
1.2 脉宽调制技术（PWM）
脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。PWM的产生一般采用直流电压与内部锯齿波比较生成所需PWM波，如图所示。
1.3 拓扑以及衍生拓扑
所谓“拓扑”就是各个关键器件之间的连接关系。开关电源中的关键器件是电感、电容和开关器件(一般为MOS管、二极管)，这三种器件之间的连接关系决定了电路所实现的功能。
最基本的开关电源拓扑有：
1.升压拓扑(BOOST)：又叫升压斩波器，输出电压大于输入电压，极性相同。
2.降压拓扑(BUCK)：又叫降压斩波器，输出电压小于输入电压，极性相同。
3.升/降压拓扑(BUCK-BOOST)：又叫升/降压斩波器，输出电压大于或者小于输入电压，极性相反。
由这三种基本拓扑可以派生出多种拓扑，如Flyback(反激)，Forward(正激)，CUK，半桥，全桥等等。在电子设计大赛的题目中曾出现过Flyback(反激)变换器的设计，另外全桥和半桥也是我们经常会用到的拓扑。
二、BUCK压型开关电源
2.1 BUCK电路原理
BUCK也是开关电源中常用的拓扑，它具有降压功能。其工作过程介绍如下：
当三极管或者MOS管输入的波形为高电平时，三极管或者MOS管Q导通，二极管截止，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载提供能量。当三极管或者MOS管输入的波形为低电平时，三极管或者MOS管Q关闭，二极管导通，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C放电以及减小的电感电流维持，降压完成。
BUCK电路原理图
2.2 设计技巧
对于BUCK电路，过高的峰值电流是需要考虑的，可能导致开关波形出现较大的振铃而使得MOS管烧坏。所以在布局设计的时候，首先还是确定主电路回路，坚持短而粗的原则。一般做BUCK电路的题目，都会是比较高精度的，所以对于电路硬性噪声的控制必须要把握好。几点需要考虑：
主电路是否需要对EMI加以控制：在合适的地方放置磁珠，MOS管应该平放在PCB上，单片机控制器尽可能和电感，MOS管等隔离。
采样电路：对于BUCK电路，一般会要求高精度，所以我们首先要选取高精度的AD，一般必须得14位以上，选用采样电阻方案一般是可行的，采样电阻要尽可能粗，体检计算好他的损耗，确保在在效率要求范围之内。粗的采样电阻意味着采样范围就小，所以一般我们会用一个高精度运放放大器去信号放大，同时也可以起到一定的隔离作用。
单片机控制回路：对于数字电路部分，一定要注意保证电流不会回流，回流可能会发生在调试的时候控制波形出现问题，这样就可能烧坏单片机IO口，所以隔离器还是建议添加的。对于单片机接在主回路上的5V或者3.3V电压口，必须严格去耦，推荐10uf的钽电容加上0.1uf的陶瓷电容，可以有效减小噪声。
三、BOOST压型开关电源设计
3.1 BOOST电路原理
BOOST电路是开关电源拓扑的基本拓扑之一，是最能代表开关电源特性的拓扑。
Boost电路的工作原理分为充电和放电两个部分来说明：
在充电过程中，开关闭合(三极管或者MOS管导通)，这时输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。负载由电容C供电，随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
在放电过程中，开关断开(三极管或者MOS管)时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。电感电势与输入电压叠加，迫使二极管D导通，一起向负载供电，并同时向电容C充电，升压完毕。
升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。
BOOST电路原理图
3.2 功率器件选型
1、MOS管
MOS管是开关电源中唯一的有源元件，在对其选择时需要首先考虑耐受程度的问题，即开通时的最大漏极电流ID和关断时的最大漏源电压Vds。在BOOST电路和BUCK电路中，MOS管上流经的最大平均电流就是电感平均电流IL；在BOOST电路中MOS管承受的最大电压是输出电压Vo与二极管导通压降之和，BUCK电路中MOS管承受的最大电压是输入电压Vin与二极管导通压降之和。
其次需要考虑其开关速度问题。如果开关频率较高或对效率要求较高，则应选择开关速度快的MOS管。
BOOST电路和BUCK电路还可改进成同步整流型，即将原来电路中的二极管换成MOS管，在工作时使两个MOS管交替导通，可以改善因二极管导通压降较大带来的效率低的问题。处理得当的同步整流电路可以达到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一个MOS管也需要考虑耐受程度和开关速度等问题，控制电路还需适当加入死区，保证任何时刻两个MOS管至多只能有一个导通。
2、电感
电感值的确定是电感选型的关键。流经电感的电流一般都只有两种状态，上升和下降。我们选择的电感值应保证在稳态时电感电流的变化量 不超过电流平均值的0.3～0.5倍，即
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3、二极管
非同步整流型电路中需要使用二极管。在选型时也需要考虑两方面：耐受能力和速度。包括二极管的反向耐压、正向最大电流以及反向恢复时间等等。一般来说大功率肖特基二极管是比较好的选择，它具有较低的导通压降、较大的最大正向电流以及极短的反向恢复时间。它的反向击穿电压较低(100V左右)，在某些电路中可能不适用。
4、电容
在BOOST电路中要求电容有较强的带负载能力，故应尽量选择大电容（一般来说输出电压在几十伏左右的应用可选择几千uF至10000uF）。而BUCK电路中对电容的要求相对弱一些，只需要满足滤波器的滤波效果即可。BOOST和BUCK电路中的电容也不可选得过大，可能会造成电压调节时电路反应慢的问题。
开关电源中电容都要作为储能元件，不允许有过多的电能损耗。故储能电容要选择低漏电、低ESR的电解电容。开关电源中一般会有比较大的纹波，所以电容的耐压值还应留有30%-50%的裕量。
2.3 设计技巧
在电子设计大赛的过程中，我们所设计的BOOST电路一般都是基于万用板或者是PCB，关注点大多集中在指标和热稳定性，电磁稳定性等。相当于是工业级电源系统的简化版。
我们知道对于BOOST电路需要在最恶劣的情况下(电感电流峰值)的条件下选择器件，而电路布局同样要在略高于最恶劣的情况下进行设计。
对于电子设计竞赛的电源系统电路设计，宏观上我们主要考虑两个回路：大电流回路和信号回路。大电流回路也就是你的电源系统会流过大电流的线，在BOOST电源中，BOOST主回路都将是大电流回路（如下）：
在设计这个主回路的时候，我们就需要考虑所用锡线的电阻率和发热情况，一般来说对于2A以上的电流线，我们一般采用2个万用板洞间距的宽度(200mil)就足以应对最恶劣情况，发热也小。同时较粗也可以保证在板子上承载大重量器件如电感电容的时候，板子不容易断裂。同时我们需要做好地线的设计，因为对于BOOST电路，整个系统是共地的(不考虑反激等设计)，这个地线也将是信号的参考地，短而直的地线可以减少引线电感，降低电磁干扰，对于信号是有益的。我们一定要避免地线形成一个环，实际上任何信号线，功率线都不能自主形成一个环，通过法拉第电磁感应定律我们很简单知道这样会造成很大的磁干扰。所以我们的功率走线要尽可能紧凑。
时钟和数据信号还有电压反馈信号一般是对于AD,DA来说的，AD,DA的数据采集和输出对于整个系统至关重要，它关乎着你的算法能否实际的起作用，试想一下，需要采集的电压是2V，而你的时钟会经常抖动，电压反馈信号的噪声纹波达到了100mv，采集回来的电压就由100mv的上下波动这就导致了你的控制精度被无限的降低，PID算法无法进行，系统就会崩掉。所以我们一定要重视这些信号走线的安置。
一个最基本的要求就是信号线要短，区别于高频信号，电源系统里面基本是低频信号，因此我们不需要用到类似蛇形走线这种方式，但是屏蔽线还是可以起到很好的作用。我们还需要做的就是考虑任何将强电回路和弱电回路隔离，我们可以采用隔离芯片来实现PWM驱动信号和AD控制信号等的隔离，从输出或者输入经过分压电阻回来的反馈信号我们可以通过一个运算放大器做一个跟随器，利用他高输入阻抗，低输出阻抗的特性来做到隔离，当然用三极管做成跟随器也是个可行的方案，对于单点接地还是多点接地，一般我们在低频电路里面多点接地，单点接地理论上都可以，不过推荐还是单电接地，避免大电流的时候出现地线电平不均衡分布导致控制信号的参考量不统一。具体的做法就是对于每一个信号模块我们都引出一个地，然后将这个地汇聚到一点再接到强点地上，可以采用一个0欧的电阻做一个弱隔离。
「第一弹」电子设计大赛应该准备什么？
「第一篇」大学生电子设计竞赛，等你来提问。
「第二篇」全国一等奖，经验帖。
「第三篇」电赛，这些你必须知道的比赛细节，文末附上近十年电赛题目下载
「第四篇」电赛控制题可以准备一些什么？
「第五篇」全国电子设计竞赛-电源题设计方案总结
「第六篇」对于电赛，我们应该看重什么？
电子设计竞赛电源题(1)-电源题简介
电子设计竞赛电源题(2)-检波与采样
电子设计竞赛(三)-SPWM与PID
电子设计竞赛(4)-常用的两种PID算法
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奖状是怎么炼成的—我的电赛狂魔之旅
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【大学生电子设计竞赛分享经验贴】风力循迹小车
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