利用Excel简化Buck型开关电源功率级设计

2016-03-12武汉晴川学院电子信息与机电工程学院

电子世界 2016年23期

武汉晴川学院电子信息与机电工程学院沈琪

武汉晴川学院电子信息与机电工程学院沈琪

开关电源系统的设计常分为功率级设计和控制级设计，功率级设计主要任务就是器件参数的选定。常用的设计过程是比较繁琐复杂的，且设计精度不高，耗时长。本文提出了一种利用Excel简化Buck型开关电源功率级设计的方法，和常用设计方法做了对比，凸显了其高效便捷等特性。

开关电源；Buck；功率级；Excel；简化

0 引言

开关电源的设计愈来愈广泛化、大众化，从大学校园实验室到各类公司设计部门等，都有着特定开关电源的设计需求。然而，也许对于多数普通设计者或者工程师而言，即使在清楚地知道一个开关电源的设计原理的情况下，仍会觉得设计是很繁琐复杂的，尤其是在选定元器件参数的问题上感觉棘手。因为这一过程涉及到不断地参数计算和调整，有时候必须得反过头来重复的计算，以期从理论上使自己的设计接近目标要求，同时减少后期电路的调试工作的麻烦。所以如果有这样一种工具：能够快速地在输入相关设计指标和一些主要元件参数后，自动计算出所需其它元器件参数和电路参数。那么，它将显著地提高设计的效率，并能满足多种多样的设计需求。

Excel的强大的函数功能使得这种繁琐的计算、调整再计算工作变得简单可靠。目前，已经有一部分工程师或公司使用自己编制的Excel表简化一些复杂电路设计中的部分参数计算和选型过程。文中就以常见的Buck型开关电源功率级的设计为例，利用Excel表简化我们的设计过程。

1 Buck型开关电源设计原理

Buck电路是DC-DC拓扑结构中一种基本的变换电路，通过将较高电压的直流电周期性的开通和关断得到电压平均值变低的直流电，在经过LC滤波电路，是电压稳定，电流连续平滑。Buck电路功率级有多种，最简之一如图1所示。

图1 Buck型开关电源功率级原理图

该功率级电路主要包括：功率开关管Q1，N沟道MOSFET；二极管CR1，常称续流管；电感L和电容C，构成输出滤波电路，其中RC是电容的等效串联电阻，RL是电感的等效直流电阻；电阻R作为电路输出端的负载。

下面来看一下这些功率级电路中的元器件参数是如何确定的，即功率级的常用设计方式。

2 功率级电路的常用设计方式

由分析开关管的两个工作状态on和off，对应的电感电流IL的变化ΔIL情况可得两个公式：

在一个周期内需要维持电路的稳定，即需要电感电流连续，且电感能量储存和释放相等。故式1应等于式2，化简得式3：

式3中显示了输出VO和输入VI、占空比D、开关管通态压降VDS、续流管压降Vd和电感等效直流电阻的压降IL*RL之间的数量。

然而在只有设计指标VI和VO等要求的前提下难以确定控制驱动器的占空比D等参数，所以常用的解决方法是：先忽略（VDS、Vd和RL）小的变量影响，由简化式VO=VI*D求出D；再计算输出电流IO等相关量，最后再回过头来考虑被忽略的量和其它参数，调整计算，得到实际接近设计目标的元器件参数。其过程简略表述如下：

由IL(average)=IO(式4)

和常用设计规定ΔIL=（5%～10%）IL(式5)

及最小连续模式临界电流IO(Critical)= ΔIL/2 (式6)

结合式1或者式2可得出所需最小电感值：

同样可忽略部分小变化量简化计算，最后再加入其它参数调整。也可由化简式：

得出最小电感值，并预先保留足够的裕量。

由连续模式下电感和电容的能量传递可知，电容储存（释放）的电荷与电感电荷的释放（储存）相等，结合纹波和截至频率要求得出最小电容值：

以上得出了主要元器件的部分参数，但是仍然是还不够的，比如：电感的储能（磁饱和）情况和等效直流电阻RL也是必须考虑；电容的等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL；开关管Q1和续流管CR1的通态压降VDS、Vd等，都是在以上计算中忽略的小变量，而实际当中是存在的，并影响着电路的稳定和功耗等设计指标，必须考虑，再作相应调整和计算。

当然，这一切对于富有开关电源设计经验的工程师来说并不是难事，经验的积累使他们能直接给出调整，选定参数。然而对于普通设计者而言，这样繁琐复杂的计算必定会影响设计的准确性和高效性，Excel工具的出现大大降低了这类工作的难度。

3 利用Excel工具快速计算电路参数

图2 Buck转换器组件计算工具

如图2所示是源自TI公司制作的一个Buck转换器组件（元器件）计算工具，来自于在TI官网上免费工具BUCK-CONVCALC。在使用该Excel工具设计降压开关电源过程中发现，日常使用的Excel竟能发挥如此强大的功能，使设计的计算快速而准确，显著提高了设计效率。

虽然，Excel界面简洁，但表格中有较详细的英文解释说明，编辑栏可调出具体的计算公式。而且左侧A、B列有原理图和相应的电压电流波形图，这对于初学者和普通设计者来说，即直观地反应了原理，又细致地说明了计算方法。限于篇幅，只截取了部分表格以作简要说明。

同时，它的使用是非常方便的，只需要在阴影区输入相关设计要求指标和部分器件参数，就能实时得到所需相应元器件参数。需输入的指标和参数有：输出输入电压VOUT和VIN，额定输出电流IOUT，开关频率fS，开关管通态电阻RDSon，续流管通态压降VF；相应自动计算出很多相关量，如占空比D，最小电感值L和最小储能E，最小滤波电容值COUT，以及最后在输入标准电容参数后，相应的输出纹波电压的指标，等等。