降压转换器仿真的电源设计方案分析
降压转换器
降压或降压转换器是一种广泛使用的dc / dc开关稳压器。制造商通过其控制器提供降压集成电路。降压dc / dc转换器是一种能够将输入电压转换为低于输入电压（降压，v out vl1（on）= v in – v out
当m1处于“关闭”状态且二极管导通时，在第一阶段，电感上的电压为：
vl1（关）= –v out
电气方案
让我们看一下图1中的接线图。它是一个具有以下特性的降压转换器：
电源：50 vdc 开关元件：频率为20 khz的irf530 电感：400 uh 电容：100 µf 负载：30ω
图1：降压转换器的电气原理图
模拟
让我们开始进行降压转换器的研究，首先进行观察以下参数的仿真：
电路的输入电压 负载上的输出电压 允许切换状态的脉冲平方电压 模拟持续2 ms，因此您可以观察40个振荡周期。在图2中，我们可以看到三个轨迹：
绿色迹线显示50 v电路电源电压（vcc）。
青色迹线显示了45v的脉冲串，可以打开和关闭mosfet（vgate）。
红色轨迹显示了30ω负载（v out）上的电路输出端的20v电压。
图2：在此仿真图中，我们可以观察到输入电压，输出电压和开关信号。
根据此电路中使用的组件的电流值，我们可以注意到一些情况：
20 vdc的输出信号在经过1 ms的瞬变后会稳定下来，在0.2 ms时出现35 vdc的峰值（图3a）。设计人员必须评估此初始电压升高，以避免损坏器件。
输出信号受0.8v纹波影响（图3b）。可以通过增加电容器c1的电容来减小或消除它。故意将电容器的值选择得较低，以更好地突出纹波。
图3：输出信号的初始峰值（a）及其纹波（b）
电感上的电流
电感上的平均电流大约等于输出电流。在“导通”阶段，mosfet中的电流将等于电感器中的平均电流加上一个纹波。反之亦然，在“关断”阶段，在d1中循环的电流将等于电感器中的平均电流与电流纹波的总和（图4）。在我们的示例中，电流约为700 ma。
图4：降压转换器的电感器i（l1）和负载i（r1）上的电流
观察流过电感的电流的曲线图也很有趣，这与mosfet栅极上的脉冲序列相对应（图5）。所检查电路的效率约为77％。
图5：电感上的电流与mosfet上的脉动电压的关系图
噪音和干扰
降压转换器由于其开关介质频率和电抗元件的存在，会产生电噪声，并且在某些情况下，可以像实际的无线电设备一样在附近传输电信号。该电路产生的许多振荡具有比mosfet的正常开关频率高得多的频率。让我们看一下图6中的图形。它测量在二极管阴极处的初始时间和1 ms之间的瞬态电压。换句话说，这是mosfet的“源极”输出处的电压。该图将该电压与流过电感器l1的电流相关联。当电流达到其平均值时，高频噪声结束。
图6：降压转换器会在高频下产生电噪声。
噪声的频率约为420 khz。在图7中，我们可以观察到lc滤波器之前mosfet的输出处的频谱图。在其中，我们可以看到20 khz的开关信号，故意高于人类的听力阈值。
图7：mosfet源极处的频谱图
ic降压开关稳压器
有许多实现整个降压转换器系统的集成电路。其中之一就是analog devices的ltc1707型号。它是使用固定频率架构的高效单片电流模式同步降压稳压器。工作电源范围为8.5 v至2.85 v，非常适合单节和双节锂离子电池供电的应用。突发模式操作可在低负载电流下提供高效率。100％的占空比提供了低压差操作，从而延长了电池供电系统的工作时间。开关频率在内部设置为350 khz，从而允许使用小型表面贴装电感器。对于噪声敏感的应用，它可以外部同步至550 khz。图8显示了ltc1707和3.3v输出在30负载下的应用。
图8：ltc1707降压型开关稳压器
在该示例中，负载耗散的功率为0.355813 w，电池产生的功率为0.371479w。其他组件损失的功率为0.01566w。在这些条件下，采用ltc1707的buck转换器的效率为95.78。 ％。效率不是固定的，而是根据电路的输入电压和负载而变化的，如下表（表1）所示。
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当m1处于“关闭”状态且二极管导通时，在第一阶段，电感上的电压为：
vl1（关）= –v out
电气方案
让我们看一下图1中的接线图。它是一个具有以下特性的降压转换器：
电源：50 vdc 开关元件：频率为20 khz的irf530 电感：400 uh 电容：100 µf 负载：30ω
图1：降压转换器的电气原理图
模拟
让我们开始进行降压转换器的研究，首先进行观察以下参数的仿真：
电路的输入电压 负载上的输出电压 允许切换状态的脉冲平方电压 模拟持续2 ms，因此您可以观察40个振荡周期。在图2中，我们可以看到三个轨迹：
绿色迹线显示50 v电路电源电压（vcc）。
青色迹线显示了45v的脉冲串，可以打开和关闭mosfet（vgate）。
红色轨迹显示了30ω负载（v out）上的电路输出端的20v电压。
图2：在此仿真图中，我们可以观察到输入电压，输出电压和开关信号。
根据此电路中使用的组件的电流值，我们可以注意到一些情况：
20 vdc的输出信号在经过1 ms的瞬变后会稳定下来，在0.2 ms时出现35 vdc的峰值（图3a）。设计人员必须评估此初始电压升高，以避免损坏器件。
输出信号受0.8v纹波影响（图3b）。可以通过增加电容器c1的电容来减小或消除它。故意将电容器的值选择得较低，以更好地突出纹波。
图3：输出信号的初始峰值（a）及其纹波（b）
电感上的电流
电感上的平均电流大约等于输出电流。在“导通”阶段，mosfet中的电流将等于电感器中的平均电流加上一个纹波。反之亦然，在“关断”阶段，在d1中循环的电流将等于电感器中的平均电流与电流纹波的总和（图4）。在我们的示例中，电流约为700 ma。
图4：降压转换器的电感器i（l1）和负载i（r1）上的电流
观察流过电感的电流的曲线图也很有趣，这与mosfet栅极上的脉冲序列相对应（图5）。所检查电路的效率约为77％。
图5：电感上的电流与mosfet上的脉动电压的关系图
噪音和干扰
降压转换器由于其开关介质频率和电抗元件的存在，会产生电噪声，并且在某些情况下，可以像实际的无线电设备一样在附近传输电信号。该电路产生的许多振荡具有比mosfet的正常开关频率高得多的频率。让我们看一下图6中的图形。它测量在二极管阴极处的初始时间和1 ms之间的瞬态电压。换句话说，这是mosfet的“源极”输出处的电压。该图将该电压与流过电感器l1的电流相关联。当电流达到其平均值时，高频噪声结束。
图6：降压转换器会在高频下产生电噪声。
噪声的频率约为420 khz。在图7中，我们可以观察到lc滤波器之前mosfet的输出处的频谱图。在其中，我们可以看到20 khz的开关信号，故意高于人类的听力阈值。
图7：mosfet源极处的频谱图
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图8：ltc1707降压型开关稳压器
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