【導讀】對dui於yu電dian源yuan目mu的de而er言yan，僅jin電dian感gan器qi電dian流liu就jiu會hui產chan生sheng太tai多duo紋wen波bo。然ran而er，電dian感gan器qi與yu輸shu出chu電dian容rong器qi一yi起qi工gong作zuo，提ti供gong足zu夠gou的de濾lv波bo，以yi實shi現xian您nin在zai圖tu中zhong看kan到dao的de穩wen定ding、低紋波負載電流。請注意，負載電流是電感電流的平均值。

降壓轉換器設計

我們將使用的電路如圖 1 的原理圖所示。這稱為降壓或降壓轉換器。

Buck（降壓）轉換器仿真原理圖

圖 1. Buck（降壓）轉換器仿真原理圖

降壓或降壓轉換器可用於完成電源管理電路的常見任務：將標準係統級電壓（例如 12 或 28 V）降低至適合低功耗的 5 或 3.3 V 電源軌。電壓電子設備。

我說“幫助”是因為圖 1 的拓撲隻是開關模式穩壓器的功率級。它不是一個完整的調節器，因為它缺乏反饋
，因此無法鎖定指定的輸出電壓。

降壓轉換器原理圖和仿真詳細信息

在我們深入模擬和分析之前，讓我們先討論一下這個 LTspice 原理圖的一些不太容易解釋的方麵：

電源開關型號
開關頻率和占空比
在輸入端使用理想電壓源的含義之一
電感和電容值的選擇
電源開關模型

物理轉換器電路中的功率開關通常是場效應晶體管。在此模擬電路中，我使用電壓控製開關，其規格由 .model MYSW SW(...) 語句確定。開關特性非常有利，但不太理想：

1 Ω 通態電阻
1 MΩ 斷態電阻

閾值電壓位於 VSWITCH 生成的邏輯低 (0 V) 和邏輯高 (5 V) 電平的中間。

開關頻率和占空比

VSWITCH 產生用於打開和關閉開關的矩形波。使用 .param 語(yu)句(ju)，我(wo)定(ding)義(yi)了(le)各(ge)種(zhong)參(can)數(shu)，使(shi)我(wo)能(neng)夠(gou)輕(qing)鬆(song)控(kong)製(zhi)關(guan)鍵(jian)切(qie)換(huan)特(te)性(xing)。我(wo)指(zhi)定(ding)振(zhen)蕩(dang)器(qi)頻(pin)率(lv)和(he)占(zhan)空(kong)比(bi)
，這(zhe)是(shi)我(wo)的(de)大(da)腦(nao)直(zhi)觀(guan)思(si)考(kao)電(dian)路(lu)行(xing)為(wei)所(suo)需(xu)的(de)值(zhi)。這(zhe)些(xie)用(yong)於(yu)計(ji)算(suan)周(zhou)期(qi)和(he)時(shi)間(jian)，這(zhe)是(shi) LTspice 的 PULSE 函數所需的值。

在輸入端使用理想電壓源進行仿真

輸shu出chu電dian容rong器qi是shi轉zhuan換huan器qi操cao作zuo不bu可ke或huo缺que的de一yi部bu分fen
，因yin此ci在zai模mo擬ni電dian路lu和he物wu理li電dian路lu中zhong都dou是shi必bi需xu的de。物wu理li電dian路lu還hai需xu要yao一yi個ge輸shu入ru電dian容rong器qi
，其qi關guan鍵jian目mu的de是shi降jiang低di源yuan阻zu抗kang，從cong而er使shi轉zhuan換huan器qi能neng夠gou更geng平ping穩wen地di從cong輸shu入ru電dian源yuan汲ji取qu強qiang烈lie的de突tu發fa電dian流liu。由you於yu我wo的de SPICE 實現中的輸入電源具有零串聯阻抗，因此不需要輸入電容器。

電感和電容值的選擇

圖 1 中所示的電感 (100 H) 和電容 (1 F) 值是我使用本 TI 應用筆記中的公式計算得出的合理起點。我們將在以後的文章中探討電容器和電感器值的影響。

降壓轉換器仿真

我們首先運行一個占空比為 50%
、負載電阻為 1 kΩ 的仿真。圖 2 是輸出電壓隨時間變化的圖。請注意，輸出電壓需要一些時間才能達到其穩態值。

降壓轉換器輸出電壓穩定

圖 2.降壓轉換器輸出電壓穩定。

kaiguanmoshizhuanhuanqi，baokuowomenchengweidianhebengdejiyudianrongqidekaiguanqi
，juyouyushuchudianrongqichongdiansuoxudeshijianxiangduiyingdeqidongyanchi。zhezhongqingkuangjihufashengzairenhedianluzhong
，yinweimouchuzongyouyixiedianrongxuyaochongdian。

然而，對於開關來說，啟動時間可能會相當長，因為充電電流受到開關動作的限製，並且要充電的電容量相對較大。

占空比對降壓轉換器輸出電壓的影響

如圖2所示，輸入電壓為12V時，穩態輸出電壓約為10.5V。占空比為50%，那麼為什麼輸出電壓遠高於輸入電壓的50%呢
？

如果您已閱讀上一篇文章，您就會看到該圖（圖 3 中重複），其中濾波電壓的幅度直接對應於 PWM 波形的占空比。

直流電壓電平是 PWM 占空比的函數。
圖 3.直流電壓電平與 PWM 占空比的函數關係。

然而，該圖僅描述了對 PWM 波形進行濾波的效果。而在開關模式轉換器中，PWM 占空比隻是影響 V IN與 V OUT比率的眾多因素之一。我可以將占空比保持在 50%

，並通過修改電感值、負載電阻值或開關頻率來顯著改變輸出電壓。

這(zhe)個(ge)討(tao)論(lun)很(hen)好(hao)地(di)提(ti)醒(xing)我(wo)們(men)，占(zhan)空(kong)比(bi)並(bing)不(bu)是(shi)生(sheng)成(cheng)特(te)定(ding)的(de)固(gu)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)一(yi)種(zhong)手(shou)段(duan)。相(xiang)反(fan)
，開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)穩(wen)壓(ya)器(qi)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)占(zhan)空(kong)比(bi)來(lai)實(shi)現(xian)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，作(zuo)為(wei)負(fu)反(fan)饋(kui)實(shi)現(xian)的(de)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。

因此，我們不能僅將占空比設置為 50%，並假設 V OUT = 6 V
，V IN = 12 V。無論如何
，我們都不想圍繞恒定輸入構建穩壓器電壓。我們更願意設計一種能夠抵抗意外輸入變化並易於集成到可能具??有不同輸入電壓的新應用中的穩壓器。

在結束本節之前，我想簡要提及 PWM 並不是執行開關模式調節的方法。盡管不太常見，但脈衝頻率調製 (PFM) 在某些應用中是
，因為它可以在輕負載條件下提供更高的效率。

降壓轉換器電感電流

我們將以圖 4 的圖來結束，該圖顯示了電感器電流相對於開關控製電壓和輸出電流的關係。

降壓轉換器開關電壓（頂部）
、電感器電流（綠色底部）和負載電流（紅色底部）。
圖 4.降壓轉換器開關電壓（頂部）
、電感器電流（綠色底部）和負載電流（紅色底部）。

開關控製電壓圖表達了開關的狀態：當(dang)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)為(wei)邏(luo)輯(ji)低(di)電(dian)平(ping)時(shi)開(kai)關(guan)打(da)開(kai)，當(dang)信(xin)號(hao)為(wei)邏(luo)輯(ji)高(gao)電(dian)平(ping)時(shi)開(kai)關(guan)關(guan)閉(bi)。根(gen)據(ju)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)調(tiao)節(jie)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)，開(kai)關(guan)始(shi)終(zhong)被(bei)驅(qu)動(dong)為(wei)完(wan)全(quan)導(dao)通(tong)或(huo)完(wan)全(quan)關(guan)斷(duan)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)它(ta)要(yao)麼(me)自(zi)由(you)通(tong)過(guo)電(dian)流(liu)，要(yao)麼(me)完(wan)全(quan)阻(zu)止(zhi)電(dian)流(liu)。

未經修改，這種開/關電流無法正確為電子電路供電，但電感器電流圖顯示了上一篇文章中描述的斜坡上升/斜坡下降效應。通過電感器的電流不能瞬時變化

，降壓轉換器的拓撲允許電感器將開/關電流轉換為斜坡上升/斜坡下降電流。如光標虛線所示，當開關導通時，電感器電流開始斜坡上升，當開關關閉時，電感器電流開始斜坡下降。

對dui於yu電dian源yuan目mu的de而er言yan，僅jin電dian感gan器qi電dian流liu就jiu會hui產chan生sheng太tai多duo紋wen波bo。然ran而er，電dian感gan器qi與yu輸shu出chu電dian容rong器qi一yi起qi工gong作zuo，提ti供gong足zu夠gou的de濾lv波bo，以yi實shi現xian您nin在zai圖tu中zhong看kan到dao的de穩wen定ding、低紋波負載電流。請注意，負載電流是電感電流的平均值。

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