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基于TL431构成的自激式Buck变换器

基于TL431构成的自激式Buck 变换器的分析与测试

作 者:葛中海

摘 要:本文讨论了Buck 变换器的基本模型及自激式Buck 变换器实例电路,分析了变换器工作于CCM 模式和DCM 模式的特点,指出影响开关频率的因素。

关键词:Buck 变换器 占空比 CCM DCM

1.Buck 变换器概述

Buck 变换器也称降压型变换器。如图1所示Buck 变换器的模型电路,开关管受PWM 控制。当开关管VT 闭合时,加在电感L 两端的电压为)(O I V V -,二极管VD 因承受反压而截止,电感电流线性上升,电压左正右负,电源给电容O C 充电及给负载供电。当开关管断开时电感反激电压左负右正,二极管VD 导通;电感电流线性下降,电容O C 放电及给负载供电。

基于TL431构成的自激式Buck变换器

图1 Buck 变换器

如图2所示Buck 变换器的工作波形。图2(a )中,当开关管VT 和二极管VD 分别关断时,VT 的ce V 、VD 承受的反向电压rd V 均为I V 。ON t 期间,电感L 由电压)(O I V V -励磁、储存能量,磁通量增加;OFF t 期间,输出电压O V 与开关导通时方向相反加到电感L 上消磁、释放能量,磁通量减少。根据“伏·秒相等原则”,则有如下等式成立。

()ON O I t V V ?-=OFF O t V ?

考虑到O N O FF t T t -=,上式可以转化为

I I ON O V D V T

t V ?=?=

基于TL431构成的自激式Buck变换器

(a )CCM 工作模式 (b )DCM 工作模式

图2 Buck 变换器的电压波形

由于整个周期中电感电流L I 始终没有降到零,这种工作模式称为CCM 模式。在此状态下,如果把电感的电感量减小或负载减轻,减到一定条件下会出现图2(b )所示电感电流L I 降到零的

DCM 模式。电感电流降为零期间(OFF t -'O FF t )

相当于导线,故,这期间VD 承受的反向电压rd V 等于O V ,VT 的ce V 等于)(O I V V -。根据“伏·秒相等原则”,则输出电压O V 为

I OFF ON ON O V t t t V ?+=

' 式中,'O FF t 是OFF t 区间电感电流不为零的时间,'O FF t <OFF t 。

2.由TL431构成的自激式Buck 变换器

TL431是精密基准电源,其内部功能框图及电路符号如图3所示,L431所谓的阳极(Anode )、阴极(Cathode )实际上是内部二极管的正负极。

正常工作时,阳极接参考地,阴极既是供电端又是电压调整端。当内部集成运放的同相端电压高

于基准电压(反相端)时,集成运放输出电压升高,阴极电压下降,反之亦反。,ref V 是TL431内部的基准电压,ref V =2.5V 。

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(a )功能框图 (b )电路符号

图3 TL431内部功能方框及电路符号

如图4所示是以TL431为主构成的Buck 变换器。在这个自激式DC-DC 降压电路中,TL431不仅作为基准源,而且作为自激振荡的有源器件。

初始上电时,4R 给VT 2提供启动电流,VT 2导通,继而VT 1导通,二极管VD 1反偏截止,电感1L 励磁蓄能。输出电压O V 经采样电阻7R (3C 用于频率补偿)与8R 的分压加TL431的参考端(R ),电压小于2.5V 时TL431的吸纳电流很小,VT 2因基极电压较高而保持导通。另一方面,输入电压I V 由2R 与3R 分压加到VT 2的发射极,当VT 2导通时发射极电流与2R 的电流一同作用在3R 上,电容2C 充电,电压上升。

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图4 由TL431构成的Boost 变换器

随着VT 1持续导通,O V 升高,TL431参考端(R )的电压逐渐上升接近于2.5V ,TL431吸纳电流增大,VT 2基极电压下降;电容2C 充电、电压升高。因此,有下述过程发生:

()↓↑→↓→→↑↓12222&C C BE E B V V V V V

VT 1集电极输出电压1C V 经6R 与5R 分压,加到TL431的阳极(A )的电压降低。此刻,TL431参考端(R )与阳极(A )之间的电压增大,TL431吸纳电流进一步增大,加剧VT 2基极电压下降,加速VT 1、VT 2关断。

VT 1、VT 2关断时,O V 下降,TL431参考端(R )的电压逐渐下降接近于2.5V ,TL431吸纳电流减小,VT 2基极电压上升;电容2C 放电、电压下降。因此,有下述过程发生:

()↑↓→↑→→↓↑12222&C C BE E B V V V V V

VT 1集电极输出电压1C V 经6R 与5R 分压,加到TL431的阳极(A )的电压升高。此刻,TL431参考端(R )与阳极(A )之间的电压减小,TL431吸纳电流进一步减小,加剧VT 2基极电压上升,加速VT 1、VT 1导通。

根据电路的工作原理可知,输出电压O V 为

O V =ref V ????? ?

?+871R R =2.5???? ??+10101=5.0V 为为了便于深入分析电路工作的本质,现在把电源电压I V 设为25V ,实测输出电压O V 为

5.15V ,VT 2基极为9.85V ,发射极为9.39V 。若VT 2不存在,I V 经2R 、3R 分压,VT 2发射极电压为7.8V (=I V ?()323/R R R +=25?()2.27.4/2.2+),因为VT 2的存在且周期性导通,其发射极周期性输出电流作用与3R 上,经2C 暂存,故,VT 2发射极的实际电压高于7.8V 。

如图5所示为开关管VT 1基极与集电极的电压波形。由图示可见,VT 1基极的电压波形为交流测试所得振幅约0.7V 。实际上,VT 2截止时VT 1基极电压为I V ,VT 2导通时VT 1基极电压比I V 低0.7V ,也就是说,VT 1基极电压变化范围较小,若用直流测试,VT 1基极电压0.7V 的变化相对于I V 太小了,根本不易观察。VT 1集电极为振幅为25V 的PWM 脉冲,与VT 1基极的负脉冲相对应,开关频率约214kHz 。

VT 2导通时其集电极比电源电压I V 低0.7V ,基极约为9.85V ,发射极约为9.39V ,CE V 远远超过0.2V 。VT 1导通时其发射极为I V ,集电极接近于I V 。因此,VT 2开关状态中的“开”状态是放大导通,而VT 1开关状态中的“开”状态是饱和导通。

基于TL431构成的自激式Buck变换器

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图5 开关管VT 1基极与集电极的电压波形

如图6为VT 2发射极与VT 1集电极的电压波形。由图示可见,VT 2发射极的电压近似锯齿波。VT 2截止时,其发射极电压为2R 与3R 对电源的分压,两只电阻的电流相等。VT 2导通时,其发射极输出电流,流经3R 的电流增大,2C 充电电压上升。VT 2下一次截止时,2C 放电电压下降。

图6 VT 2发射极与VT 1集电极的电压波形

如图7所示为以VT 2发射极为参考地,VT 2基极与VT 1集电极的电压波形。因以VT 2发射极为参考地,故,VT 2基极的波形就是其发射结的波形。由于VT 2发射极约有9.39V 直流电压,因此,以VT 2发射极为参考地测试VT 1集电极时,整体波形沿基准零电位向下平移约有9.39V 。

由图中可见,VT 1导通时间为880ns ,电感电流不为零的时间'O FF t 为2.9μs (=2.9div ?1μs /div )。 根据公式I OFF

ON ON O V t t t V ?+=',得 C 2放电

C 2充电

0.7V

259

.288.088.0?+=O V ≈5.8V 考虑到续流二极管VD 1的正向压降约为0.5V ,这个结果与用数字万用表测得5.15V 相当接近。

基于TL431构成的自激式Buck变换器

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图7 以VT 2发射极为参考地,VT 2基极与VT 1集电极的电压波形

当电源电压降低到15V 时VT 1集电极的电压波形如图8所示。这时,变换器工作于CCM 模式且工作频率也有较大的上升,故,这种自激式Buck 变换器管属于混合调制型开关电源。

图8 电源电压为15V 时VT 1集电极的电压波形

如图8所示可见,工作频率f 约为336kHz ,折算成周期T 约为2.98μs ,开关管导通时间ON t 为1.12μs ,故占空比D =1.12μs /2.98μs ≈37.6%。

根据公式I O V D V ?=,得

I ON O V T

t V ?==37.6%?15≈

5.64V

VT 1集电极 'O FF t 约9.39V

考虑到续流二极管VD 1的正向压降约为0.5V ,这个数值与前面DCM 模式时的相差无几! 电路中,VT 1集电极的输出电压1C V 经6R 与5R 分压加到TL431的阳极(A ),在TL431的阳极(A )与地之间垫入一个附件电压5R V ?,5R V ?是TL431的工作电流与6R 的电流在5R 上共同作用的结果。TL431参考端(R )的电压为8R V (≈2.5V )可表示为

8R V =ref V +5R V ?

式中,ref V 是TL431参考端(R )与阳极(A )之间的电压,ref V =2.5V ,可见5R V ?很小。

稳态时8R V 为定值,当VT 1导通时1C V 升高,5R V ?增大,则ref V 必然减小。根据TL431的工作特性可知,其吸纳的电流减小,VT 2基极升高,驱动VT 1的电流增大,加速VT 1导通。当VT 1关断时5R V ?只是TL431的工作电流在5R 上的作用,5R V ?与之前相比减小,则ref V 必然增大。TL431吸纳的电流增大,VT 2基极下降,驱动电流VT 1的减小,加速VT 1关断。因此,TL431阳极(A )对地的附件电压5R V ?,在VT 1开关转换时起至关重要的作用。

若把5R 短路5R V ?为零,VT 1开关频率很高,开关损耗增大,电源输入电流明显增大。VT 1发热至频率进一步升高,最终发热导致其损坏。如图9(a )所示为5R 短路,崩溃之前某时刻VT 1集电极的电压波形(频率高达915kHz )。若把5R 改为47Ω,5R V ?的变化量变大,VT 1开关转换的时间变长,工作频率下降(频率降到50.8kHz ),如图9(b )所示。

由于决定开关状态的根本原因是脉宽调制管VT 2的发射结压降2BE V ,当2BE V 大于约0.7V 时VT 2导通(见图7所示VT 2发射极波形顶部区间),否则VT 2关断。2BE V 是VT 2的基极与发射极电位之差,VT 2的基极的电位受TL431控制,发射极电位是2C 充电电压。因此,开关频率因素有负载,1L 的电感量,2R 、3R 分压及2C 容量等。比如,其它参数不变,仅把2C 的容量加倍,开关频率约为146kHz ,如图9(c )所示。

基于TL431构成的自激式Buck变换器

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(a )5R 短路 (b )5R 改为47Ω

基于TL431构成的自激式Buck变换器

(c )2C 为0.2μF

图9 VT 1集电极的电压波形