LTspice仿真BUCK電源

要做DCDC很關鍵的一點就是理解電感是怎么回事,咱們先從電感的定義看.

電感的公式如下所示:

式1

看到當時間越長,當VL是一定的時候,隨著時間的變長,則L上的電流IL越大,我們使用LTspice進行一個簡單的仿真,驗證結論是否正確.圖1展示了仿真結果.

圖1:電感電流仿真結果

我們還知道,電感電流是不能突變的,所以照理來說改變電感的感值,當感值越大,電感電流 的斜率越低,我們也仿真看看.見圖2.

圖2:1H電感的仿真結果

看結果符合我們預期,我們也大概明白電感是怎么一回事,于是我們拿電感構建一個BUCK電路.這里我們用到了Switch組件.來替代開關MOS如圖3所示.

圖3:基本BUCK電路

圖4:仿真結果

看圖4,當Vg打開時候S1上面有個帶斜坡的方波這個斜坡是怎么來的呢?我們調出電感L1的電流波形如圖5所示.

圖5:電流波形

電感電流的最小值等于斜坡電流的最小值,電感電流的最大值等于斜坡電流的最大值,但S1中不僅包含了斜坡部分,還有一部分方波部分,這個方波部分就是電感的連續電流.如果我們把負載調低,則可能只剩下斜坡部分.

圖6:負載等于100ohm時S1的電流波形

仿真結果也符合我們預期,知道了S1的波形怎么回事,咱們在看看續流二極管上的波形.如圖7所示

圖7:續流二極管電流波形(負載100ohm)

當Vg關閉時候續流二極管的電流開始上升,然后緩慢下降最終沒有,到下一個波形在重復,打開L1的電流波形如圖8所示,剛好就是電感電流的負半周

圖8:電感與續流二極管波形

為什么說他是續流二極管,我們知道電感的電流波形不能突變,當S1打開時S1的電流先通過電感再到負載再到地.如圖9所示.

圖9:S1 打開時候電感電流路徑

那當S1要關閉時候電感電流還是要朝著VOUT的方向流,這可咋辦,于是電感電流繼續朝VOUT流于是變成這樣.

圖10:S1關閉時候電感電流路徑

通過以上,咱們大概熟悉電感是怎么一回事,咱們都知道電容是通交流隔直流,那么選不同的電容對輸出有什么影響呢?咱們先把電感電流搞連續來測試電容對輸出的影響.

圖11:基本測試電路

測試代碼:

給電容加點小小的ESR,將電容的ESR改成1ohm以后看看仿真結果如圖12所示.

圖12:1ohm ESR的仿真結果

發現ESR一增加輸出的紋波顯著上升,看到紋波的峰值和谷值和△IL剛好相對應,其實就是△IL*ESR 就≈紋波電壓.為了改善紋波我們也可以增大電感量,咱們將電感設置成470uH看看紋波電壓如何變化.一下子從300多mV的紋波降低到了70多mV的紋波如下圖13所示.

圖13:增加電感到470uH紋波電壓

為啥加大電感能讓紋波降低?回頭看看公式1.當導通時間不變,電感大了那電感的上升斜率就變緩了,下降斜率也緩了,在這個周期里高低變化的幅度只有這么多.

所以除了改變電感大小,咱們也可以改變開關頻率,來降低紋波咱們把開關頻率從100K提升到333Khz設置如圖14所示.并且把電感改回100uH此時紋波如圖15所示降低到了100mV左右.剛好是3.3倍左右.

圖14:V2設置

圖15:開關頻率等于333Khz時紋波電壓

測試代碼:

說到這,BUCK怎么回事大概有個概念,那今天就先聊到這里,拜拜~