浙江海洋学院本科生毕业论文
2.1.2 BUCK调整器的主要电流波形
相对于线性调整器，开关调整技术的最大优势在于功率回路中的线性元件损耗非常小。 在开关型调整器中，开关管要么完全导通（只有非常小的功率），要么完全关断（功耗可以忽略）。BUCK调整器就是一个很好的例子，它的内部损耗非常小，因此具有较高的功率转换效率。
要想完全精确地了解电路的工作特点，有必要先了解整个电路的电流和电压的波形、幅值和工作时间。这里详细分析一个周期的工作波形，从Q1完全导通后开始。为便于分析，假设所有元件都是理想的，而且电路稳定工作，输入电压和输出电压恒定。
Q1导通时，V1点的电压等于电源电压Vdc。由于V0低于Vdc，电感L0承受的电压为（Vdc-V0）。由于电感上的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升，其斜率为di/dt=(Vdc-V0)/L0(此时电感电流的波形为加在阶跃波顶部的一个斜坡，如图2.1（d）所示。
Q1关断时，V1点的电压迅速降到零，这是因为电感的电流不能突变，电感产生反电动势以维持原来建立的电流，若未接二极管D1，则V1点电压会变得很负以保持L0上的电流方向不变。但此时D1导通，将电感L0前断电压钳位于比地电位低一个二极管的导通压降。此时电感上的电压极性反相，流过电感和二极管的电流线性下降，Q1关断过程结束时，电流下降到初始值。
详细的描述如下：当Q1关断时，电流I2（关断前流过Q1、L0、输出电容C0和负载）转移流向二极管D1、L0、输出电容和负载，如图2.1（e）所示。此时电感L0上的电压极性反相，幅值为（V0+1），电感中的电流以di/dt=(V0+1)/L0的斜率线性下降，波形是下降的阶梯斜坡，如图2.1（e）所示。在稳定运行状态下，Q1关断时间结束时，电感L0的电流下降到I1，并仍然流过二极管D1、L0、输出电容和负载。
此时Q1再一次导通，它的电流逐渐取代二极管D1的正向电流。当Q1上的电流上升到I1时，二极管D1的电流降到零并关断，V1点的电压近似上升到Vdc，使D1反偏截止。因为Q1是硬开通，这个开通的过程非常快。这样，电感L0上的电流是Q1导通时的电流（如图2.1（d）所示）和Q1关断时D1的电流（如图2.1（e）所示）之和，即图2.1（f）中的电流IL0，该电流包含直流分量和以输出电流I0为中点的三角波纹波分量（I2-I1）。因此可推断图2.1（d）和图2.1（e）中波形斜坡的中点的电流值就是直流输出电流I0。随着输出电流I0的改变，图2.1（d）和图2.1（e）中的斜坡中点也会变化，但斜坡的斜率不变。Q1导通时，电感L0的斜坡斜率始终为（Vdc-V0)/L0；Q1关断时，其斜率始终为（V0+1）/L0。
因为电感电流纹波的峰-峰值与输出电流平均值无关，当I0减小使图2.1（d)和图2.1（e）中的电流纹波谷值达到零时（此时的输出电流称为临界负载电流），电路的特性将发生很大的变化。
2.2 BOOST开关调整器拓扑
2.2.1 BOOST开关调整器的基本原理
图2.1所示的BUCK调整器的缺陷是它只能将较高的电压降为较低的电压，因此BUCK调整器通常也称为降压调整器。
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图2.2所示的BOOST调整器是将较低的未调整输入电压升为较高的调整输出电压，该电路称为升压调整器或升压电感变换器。其工作电路如下所示：
图2.2 BOOST调整器及其主要波形
图2.2 BOOST调整器及其主要波形。Q1关断时，L1的极性颠倒；将Q1导通时,L1 存储的能量经D1更高电压释放给输出负载
在Vdc和开关管Q1之间串接电感L1。当Q1导通时，电流从电感L1的下端流入Q1。当Q1关断时，电流从电感L1的下端通过整流二极管D1输送给输出电容C0及负载。
假设输出电压和电流已建立，电路已稳定运行，当Q1导通时（Ton），二极管反偏截止，L1
的电流线性上升达到峰值Ip=VdcTon/L1。
由于在Q1导通时段输出电流完全由C0提供，所以C0应选得足够大，以使在Ton时段向负载供电时，其电压降最小并满足要求。
Q1关断时，由于电感电流不能突变，L1的电压极性颠倒，L1异名端电压相对同名端为正。L1同名端电压为Vdc，且L1经D1向C0充电，使C0两端电压（泵升电压）高于Vdc。此时电感储能给负载提供电流，并补充C0单独向负载供电时损失的电荷。Vdc在Q1关断时段也向负载提供能量。
输出电压的调整是通过负反馈环控制Q1导通时间实现的。若直流负载电流上升，则导通时间会自动增加，为负载提供更多能量。若Vdc下降而Ton不变，则峰值电流即L1的储能会下降，导致输出电压下降。但负反馈环检测到电压的下降，并通过增大Ton来维持输出电压恒定。 2.2.2 BOOST调整器的不连续工作模式
BOOST调整器有两个非常不同的工作模式，这些工作模式与电感的状态有关。如果一个周期结束时，电感电流已降到零，则工作于不连续模式。如果一个周期结束时，电感电流没有降到零，则工作于连续模式。
在不连续工作模式中，电感的能量在Q1关断时完全传递给输出端。
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当Q1导通时，L1的电流线性上升到达峰值Ip=VdcTon/L1。因此能量储存在L1中，导通期间结束时，储存的能量为
E?1L1IP2?0.5L1IP22 (2.1)
若Q1下次导通之前，流过D1的电流已下降到零，则认为上次Q1导通时存储于L（式（2.1））1
的能量已释放完毕，电路工作于不连续模式。
一定时间T内，输送到负载的能量E称为功率。若E的单位为焦耳，T的单位为秒，则功率的单位为瓦特。所以如果每周期一次性地将式（2.1）确定的所有能量都传递到负载，则只从L1传递到负载的功率（假设传递效率为100%）就有
1/2L1(IP)2PL?T (2.2)
而在Q1关断期间（图2.2中Tr时段），L1的电流线性下降到零，同样的电流由Vdc提供，并流经L1和D1给负载提供能量Pdc，其值为Tr时段的平均电流乘以占空比Vdc，即
Pdc?VdcIPTt2T (2.3)
输送到负载的总功率为
1/2L1(LP)2IPTtP?PL?Pdc??VdcT2T将Ip=VdcTon/L1代入公式（2.4）得
（2.4）
(1/2L1)(VdcTon/L1)2VdcTonTtVdc2TonP??Vdc?(Ton?Tt)T2L1T2TL1 （2.5）
为保证L1的电流在Q1下次导通之前已下降到零，令（Ton+Tr）=kT，其中k<1,则
2P?(Vdc/Ton/2TL1)(kT)
若设输出电压为V0，输出负载电阻为R0，则有
kR0TonVdc2TonV02V0?VdcP?(kT)?2L1 （2.6） 2TL1R0或
因此，负反馈环将根据式（2.6）对输入电压变化和负载变化进行调整，以保持输出稳定。如果Vdc和R0下降或上升，则反馈环会增大或减小Ton来保持V0恒定。 2.2.3 BOOST调整器的连续工作模式
若电流在关断时间结束时还未下降到零，则由于电感电流不能突变，Q1下次导通时电流上升会有一个阶梯。Q1和D1上的电流将呈典型的阶梯斜坡形状，如图1.11所示。
此时电路工作于连续模式，因为在一个工作周期里电感电流始终大于零。
假设反馈环能控制输出电压恒定，则当R0或Vdc减小时，反馈环会增加Q1导通时间Ton，以保持输出电压恒定。当负载电流增加，R0或Vdc持续减小，则可能使Ton增大，到下次导通之前Q1和D1电流仍未降低到零，如图2.2和图2.3所示，此时电路进入连续工作模式。
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能使不连续模式下反馈环稳定工作的误差放大电路，不一定能使连续模式下的反馈环稳定，并会产生振荡。反馈环理论分析认为，连续工作模式时BOOST电路的传递函数存在右半平面零点。稳定有右半平面零点的反馈环的唯一办法是大幅减小误差放大器的带宽。
简而言之，在不连续工作模式中，电感和D1的电流有一段时间为零。也就是在能量传递期间（Q1关断和D1导通期间）和能量储存期间（Q1导通和D1关断期间）有一小段时间间隙。这个时间余量对电源系统运行特性非常重要，它在连续工作模式不会存在。
在具有BOOST功能的任何开关拓扑里，工作模式的影响非常大。下面分析BOOST拓扑连续工作模式下负载突然增大时电路的响应特性。
图2.3 连续模式下BOOST调整器的各波形
图2.3为连续模式下BOOST调整器Q1、D1和L1的电流波形。电感L1在Q1再次导通前， 没有足够的时间将所有能量释放给负载。
假设一个连续工作模式BOOST电路已进入稳定运行状态，输出电压和负载电流稳定，电感电流连续。当负载电流突然增大时，输出电压将有下降的趋势，此时控制环路将增大Q1的导通时间，以增大电感L1的电流。然而，需要经过几个周期，电感L1的电流才能增加的非常大（由电感值、输入电压和Q1导通时间的实际增量决定）。
必须注意的是，导通时间增加的直接影响是使关断时间减少，因为一周期的时间是固定的。因为D1只在Q1关断期间才导通，而且导通时间减少，平均输出电流开始见效，而不是增大。因此，当我们试图增加输出电流时，这个直接影响将减小输出电流，这需要经过几个周期电感电流的增加来慢慢使它调整。
当电感L1的电流增大时，在这个瞬态过程闭环控制系统产生180°的相移。因此，在小信号传递函数里产生一个右半平面零点。
这种影响与电源器件的动态特性有关，并且通过控制电路不能改变。实际上，高增益快速响应的控制电路将导致第一个驱动脉冲的宽度达到饱和，并且通过控制电路不能改变。实际上，高增益快速响应的控制电路将导致第一个驱动脉冲的宽度达到饱和，并且使传递到输出端的电流为零。因此右半平面零点不能由环路补偿网络抵消。唯一的办法是降低驱动脉冲宽度的增大速度，以使输出电压不至于跌落的太严重。
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