【硬件设计】DC-DC之降压(BUCK)电路

鱼想想

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电路原理图和PCB提取方式（立创EDA文件）：
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1. BUCK电路基础

1.1 BUCK电路物理基础

BUCK电路是一种基于电感储能原理的DC-DC变换器，其涉及到物理中的电磁感应和电能转换的基本原理。在BUCK电路中，通过控制输入占空比可变的PWM波切换开关管的导通和断开状态，将输入电源提供的直流电压转换为可调的低电压输出，从而满足不同电路的供电需求。
具体来说，BUCK电路中的电感在导通状态下，将电流通过电感中心核心的磁场转化为磁能，并将磁能存储在电感中。而在断开状态下，由于电感的自感作用，磁场会产生电压，将电磁能转化为电能，并通过输出端向负载供电。因此，通过控制开关管的导通和断开状态，实现了电能在电容和电感之间的周期性转换和调节，最终输出稳定的直流电压。
此外，BUCK电路中的电容起到平滑输出电压的作用，通过在开关管导通状态下储存电能，在断开状态下释放电能，平滑输出电压波动。同时，为了确保稳定输出电压，BUCK电路通常采用负反馈控制，通过对输出电压进行采样，反馈给微控制器，然后微控制器调节输出的PWM波的占空比，控制开关管的导通时间和断开时间，使得输出电压保持在预定范围内。
1.2 BUCK电路工作原理

BUCK电路的基本拓扑如下：




BUCK电路的工作原理可以分为四个阶段：

• 导通阶段：当开关管导通时，电感储存电能，电容充电。
  
• 关断阶段：当开关管关闭时，电感和电容之间的能量被传递到负载上，此时电感中的电流仍然存在，它会继续流向负载。
  
• 自由轮振荡阶段：在电感电流流向负载后，开关管关闭，此时电感中的电流无法立即消失，因此电感中的能量会反向传回开关管，驱动二极管导通，这个过程称为自由轮振荡。
  
• 重复阶段：上述三个阶段重复进行，控制开关管导通的占空比可以通过PWM控制器调整，从而实现输出电压的稳定调节。
  

BUCK电路输入电压与输出电压的数学关系式：

Vout = Vin x D

其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，D为开关管的占空比，即PWM波的高电平时间与周期之比。
如果考虑到开关管的导通损耗和电感、电容等元件的等效电阻，还需要引入一个效率因子η，得到如下的修正关系式：

Vout = Vin x D x η

其中，η为效率因子，通常在0.8到0.95之间。
需要注意的是，BUCK电路的输出电压通常不能高于输入电压，因为其基本工作原理是通过降压转换实现稳定的输出电压。因此，如果需要得到更高的输出电压，需要使用升压(BOOST)电路或者其他升压转换电路。
1.3 BUCK电路应用场景和特点

BUCK电路作为一种常见的降压电路，在电源领域有着广泛的应用。其主要应用场景包括：

• 电子设备稳压电源：BUCK电路能够将高电压转换为低电压，从而为电子设备提供稳定的电源。例如，计算机主板、笔记本电脑、手机充电器等设备都会采用BUCK电路作为稳压电源。
  
• 能量回收系统：在某些场景下，电路中会出现大量的电能消耗，例如电动机制动、光伏发电等。此时，BUCK电路可以将被消耗的电能进行回收，从而提高能源利用效率。
  
• LED驱动电路：由于LED的电压相对较低，因此需要将输入电压进行降压。此时，BUCK电路能够提供稳定的电源，并实现对LED亮度的控制。
  

BUCK电路的特点主要包括：

• 能效高：由于BUCK电路通过开关管进行脉冲调制，因此其能效通常比线性稳压电路更高。
  
• 输出电压稳定：BUCK电路通过电感和电容的协同作用，能够保持输出电压的稳定性。
  
• 可控性强：BUCK电路通过PWM控制，能够实现对输出电压的精确调节，从而满足不同应用场景的需求。
  
• 成本低：相较于其他降压电路，BUCK电路所需要的元器件较少，因此成本相对较低。
  

总的来说，BUCK电路具有广泛的应用场景和较好的性能，能够为电子设备提供稳定的电源，并提高能源利用效率。
2. 驱动芯片IR2109

2.1 IR2109芯片简介

IR2109是一款高和低侧驱动器芯片，可以驱动高侧和低侧开关管，被广泛应用于各种电源电路中。在BUCK电路中，IR2109通常用作驱动N沟MOSFET开关管，控制开关管的导通和断开，实现电源电压的降压转换。
IR2109的主要作用是将微控制器输出的PWM控制信号转换为高电压、高电流的开关管驱动信号，确保开关管的准确导通和断开。它还具有短路保护、过温保护、欠压保护等多种保护功能，可以有效保护电路免受故障和异常情况的影响。
IR2109在电源电路中的作用非常重要，它的性能和可靠性直接影响到整个电源电路的稳定性和可靠性。因此，在使用IR2109驱动芯片时，需要充分理解其功能和特点，并根据具体应用场景进行正确的设计和使用。
2.2 IR2109芯片的功能特点

IR2109是一款高速和高电流驱动芯片，适用于高效率、高功率的开关电源设计。其主要功能特点包括：

• 高速驱动：IR2109采用高速MOSFET驱动器，可提供高达500V/ns的上升和下降时间，从而实现高速开关，提高开关电源的效率。
  
• 高电流输出：IR2109的输出级可承受高达2A的峰值电流，能够稳定地驱动高功率MOSFET或IGBT。
  
• 双路驱动：IR2109具有两个独立的输出通道，可同时驱动两个MOSFET或IGBT，实现高效率和高功率的开关电源设计。
  
• 死区控制：IR2109具有内置的死区控制电路，可防止两个MOSFET或IGBT同时导通，避免电路失效和电源损坏。
  
• 内置保护：IR2109具有过温保护、欠压锁定、过压锁定和过流保护等内置保护功能，可保护电源电路和IC本身不受损害。
  
• 宽工作电压范围：IR2109的工作电压范围为10V至20V，可适应不同类型的开关电源设计。
  

总之，IR2109作为一款高速、高电流、双路驱动的驱动器，具有内置的保护和死区控制功能，可为开关电源设计提供高效率、高功率和稳定性的驱动支持。
2.3 IR2109芯片的引脚介绍

电路图中的IR2109如下：



IR2109引脚功能介绍如下：

• IN：PWM输入信号端，用于接收PWM信号。
  
• #SD: 用于关闭IR2109的驱动输出。当SD脚电压低于0.8V时，驱动输出关闭。
  
• VB: 逻辑供电电压，一般为5V。
  
• VCC: 高侧和低侧驱动电源的电压输入端，一般为12V。
  
• HO: 高侧驱动输出，输出高电平脉冲信号，用于驱动高侧开关管。
  
• LO: 低侧驱动输出，输出低电平脉冲信号，用于驱动低侧开关管。
  
• VS: 高侧开关管的源极，一般与VCC接在一起。
  
• COM: 低侧开关管的源极，一般与电源负极接在一起。
  

2.4 IR2109芯片的工作原理

IR2109可以用来控制开关管的导通时间和断开时间，从而实现电源电压的降压转换。IR2109的工作原理如下：

• 控制信号输入：通过输入引脚IN和SD（Shutdown）来控制IR2109的工作状态。当IN输入高电平信号时，IR2109开始工作，输出低电平信号；当IN输入低电平信号时，IR2109停止工作，输出高电平信号。SD引脚用于控制IR2109的开关功能，当SD输入低电平信号时，IR2109停止工作，输出高电平信号；当SD输入高电平信号时，IR2109开始工作，输出低电平信号。
  
• PWM信号输出：IR2109通过HO和LO引脚输出PWM信号，控制开关管的导通时间和断开时间。当IN输入高电平信号时，IR2109的HO引脚输出PWM信号，使开关管导通；当IN输入低电平信号时，IR2109的LO引脚输出PWM信号，使开关管断开。同时，IR2109还具有一些保护功能，例如过温保护、欠压保护等，能够保证BUCK电路的安全可靠工作。
  
• 驱动能力：IR2109具有高强度的驱动能力，能够输出高电平和低电平的脉冲信号，从而控制开关管的导通和断开，实现电源电压的降压转换。
  

总之，IR2109作为高低侧驱动器，可以通过PWM信号控制开关管的导通和断开，实现BUCK电路中的电源电压降压转换。同时，IR2109还具有多种保护功能，能够保证BUCK电路的安全可靠工作。
3. 基于IR2109驱动芯片的BUCK电路

3.1 电路组成

电路共由三个子电路组成：分别为输入滤波电路、PWM驱动电路和降压电路。
三个子电路电路图如下：








下面将分别详细介绍各子电路。

3.2 输入滤波电路




BUCK电路的输入端一般接收来自电源的直流电压，但是由于电源本身的特性以及线路的干扰等因素，输入电压可能会出现一些噪声和波动。因此，需要使用输入滤波电路来抑制这些干扰信号，保证BUCK电路的稳定性和可靠性。

输入滤波电路主要由电感和电容组成。电感的作用是阻抗变化大，可以阻止高频信号通过，从而实现对高频噪声的抑制；而电容的作用是对低频信号进行滤波，从而实现对低频波动的抑制。这样，经过输入滤波电路处理后，输入电压就变得更加稳定，可以保证BUCK电路的正常工作。
在具体的电路设计中，输入滤波电路的参数需要根据实际情况进行选择，例如电感的感值、电容的容值等，以达到最佳的滤波效果。同时，还需要考虑电路的占空比、负载情况等因素，从而确保整个BUCK电路的性能稳定和可靠。
常见的电感值通常在几微亨到几百微亨之间，常用的电流值通常在几毫安到几十安之间。例如，在设计用于直流输入的BUCK电路时，通常会选择值为几十微亨到几百微亨的电感。对于输入电压较高的情况，可以选择具有高饱和电流和高磁通容量的磁芯材料来实现更高的电感值。而对于频率较高的情况，则需要选择具有更高自谐振频率的磁芯材料。
对于电容，其容值通常在几百皮法到几毫法之间。当电容值较大时，可以有效地过滤低频噪声和直流分量，但也会增加电路的成本和尺寸。因此，在实际应用中，需要根据具体的设计要求和成本限制，选择适当的电感和电容参数来实现最佳的滤波效果。
说明：根据我本人的需求和使用场景，我使用的输入滤波电路中没有加入电感元件，在噪声比较多的场景下，无法滤除所有高频噪声，因此，在实际设计中，电容和电感的组合可以根据具体的应用场景和要求进行选择。
3.3 驱动电路




驱动电路主要由IR2109芯片和外部元件组成。
IR2109驱动芯片及其功能我们已经详细介绍过。下面主要详细介绍IRF3205MOS开关管。
IRF3205是一款N沟道MOSFET晶体管，常用于高电压、大电流的开关电源、逆变器等应用中。在IR2109驱动下，IRF3205可用作BUCK电路中的开关管，用于控制电路中的开关操作，实现电压的降压转换。

IRF3205的主要特点包括：

• 高电压承受能力：可承受最高55V的电压；
  
• 大电流承受能力：最大承受110A的电流；
  
• 低导通电阻：在合适的工作条件下，其导通电阻可达到最小值，从而减小能量损耗，提高电路效率；
  
• 高开关速度：能够快速地切换开关状态，从而减小开关过程中的能量损耗，提高电路效率。在IR2109驱动下，IR3205 MOSFET管的上升时间和下降时间通常在10纳秒至20纳秒的范围内，具体取决于电路中的电容和电感等元件的参数。
  
• 可靠性高：IRF3205 MOS管采用了先进的工艺和材料，具有较高的可靠性和稳定性，可以在较宽的温度范围内正常工作。
  

在BUCK电路中，IRF3205开关管工作原理如下：

• 当IR2109输出高电平时，IRF3205的栅极电压为高电平，MOS管处于导通状态，电流通过电感和MOS管流向负载；
  
• 当IR2109输出低电平时，IRF3205的栅极电压为低电平，MOS管处于截止状态，电感中的电流通过二极管D1回流，以防止电感中的能量瞬间消失；
  
• 在下一周期中，IR2109再次输出高电平，IRF3205又重新进入导通状态，上述过程不断重复，从而实现电压降压转换。
  

需要注意的是，在设计BUCK电路时，需根据电路的实际需求选择合适的IRF3205型号和参数，以保证电路的正常运行。
3.4 降压电路




降压电路是BUCK电路的核心。输入滤波电路和驱动电路实际上是给降压电路的输入电压和输入PWM进行优化。下面介绍降压电路中电容和电感的选择。
在设计BUCK电路时，需要根据输入电压、输出电压、负载电流等因素来选择电容和电感的参数。以下是一些常见的选择方法：

选择电感： 电感的作用是储存电能，使得在切换过程中电流平稳变化。选择电感时，可以根据电路输出电流和电感的电感值计算出电感的最小值：
Lmin = (Vout × (1 - D) × ton) / ΔI
其中，Vout为输出电压，D为占空比，ton为开关时间，ΔI为电感电流波动范围。一般情况下，ΔI可以选择输出电流的5%-20%左右。
选择电容： 电容的作用是平滑输出电压，降低输出电压的纹波。选择电容时，可以根据负载电流和输出电压纹波系数计算出电容的最小值：
Cmin = Iout × (ΔV / Vout) × (1 - D) × T / ΔV
其中，Iout为负载电流，ΔV为输出电压纹波幅度，T为开关周期。通常情况下，输出电压纹波系数可以选取在1%-5%之间。

需要注意的是，在实际设计中，还需要考虑电感的DC电阻、电容的ESR等因素对电路性能的影响，以及选用合适的材料和封装形式。同时，为了保证稳定性和可靠性，还需要进行必要的实验和测试。
4. 总结

基于IR2109驱动芯片的BUCK电路是一种常见的DC-DC转换器，具有高效率、稳定性好等优点，在各种电子设备中广泛应用。
该电路的工作原理是通过开关管周期性地将输入电压转换为矩形脉冲信号，并经过电感滤波形成平稳的输出电压。IR2109芯片作为驱动器，可以控制开关管的导通和截止，使电路输出电压稳定。
在设计BUCK电路时，需要根据实际应用场景选择合适的输入滤波电路、输出电容和电感等元器件，并根据输入电压、输出电压和负载电流等参数计算合适的元器件参数。
常用的MOS管有IRF3205等，其导通和截止速度快，能够有效地控制电路开关时间，提高电路效率。同时，需要注意MOS管的导通电阻和耗散功率，避免过度加热损坏器件。
总之，基于IR2109驱动芯片的BUCK电路具有较高的性能和可靠性，可以广泛应用于各种电子设备中。在设计和使用过程中，需要注意选用合适的元器件和控制参数，确保电路的正常运行和安全性。

在水逸帆

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尘心旧影

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