DC-DC 電源轉換器是當今常見的電子係統之一。 我們(men) 通常在從(cong) 手機充電器到客機電源的所有事物中看到這種性質的子係統。 能夠快速調試和評估各種電氣子係統的質量對於(yu) 電氣工程師來說是一項尤為(wei) 重要的技能。
DC/DC降壓轉換器設計和測量
DC-DC 電源轉換器是當今常見的電子係統之一。 我們(men) 通常在從(cong) 手機充電器到客機電源的所有事物中看到這種性質的子係統。 能夠快速調試和評估各種電氣子係統的質量對於(yu) 電氣工程師來說是一項尤為(wei) 重要的技能。 美國空軍(jun) 對電力轉換的国产成人在线观看免费网站特別感興(xing) 趣，因為(wei) 我們(men) 的許多係統都使用了各種電力電子子係統。
降壓轉換器是一種開關(guan) 降壓轉換器，是一種常用的子係統，可有效地將來自輸入源（電源）的電壓降低到適合輸出（負載）的電平。 降壓轉換器是一種開關(guan) 轉換器，其中晶體(ti) 管將用作開關(guan) ，並將電路的電源側(ce) 隔離或連接到負載。 降壓轉換器的一個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢是電壓轉換的效率。 通常，我們(men) 可以預期設計良好的降壓轉換器的效率為(wei) 90% 或更高。
目標：本實驗室旨在：
介紹降壓轉換器背後的基本理論
確定各個(ge) 組件的尺寸注意事項
展示實際實施的分析和測量技術
本文中的實驗室部分將基於(yu) Liquid Instruments 的 Moku:Go。各種示波器、直流電源和函數發生器足以滿足該實驗室的需要。 Moku:Go 被選中用於(yu) 該實驗室實驗，因為(wei) 它在一個(ge) 設備中包含了該實驗室所需的所有測試設備。
這項工作的總體(ti) 目標是開始開發一係列全麵的實驗室實驗，這些實驗既可以作為(wei) 獨立練習(xi) 進行，也可以與(yu) 深入的理論相結合。目的是讓學生接觸各種關(guan) 鍵概念，並讓他們(men) 同時探索他們(men) 的實際国产成人在线观看免费网站。這些實驗室旨在粗略地介紹理論和必要的計算，但不會(hui) 提供大多數電氣工程教科書(shu) 中常見的所有必要推導。選擇這種策略是為(wei) 了向更廣泛的專(zhuan) 業(ye) 水平的學生展示一個(ge) 更平易近人的實驗室，並意識到實驗室可以很容易地與(yu) 增加的理論討論相結合。
完全執行本教程的實驗室部分需要以下材料清單。
• 1x Moku:Go 或
– 1x 函數發生器，能夠產(chan) 生 50 kHz PWM 信號
– 1x 示波器
– 1 個(ge) 12 V 和 150 mA 電源
• 1x 原型板或模塊化印刷電路板 (PCB) 設計如下所述
• 1x 470 µH 電感器（652-2100LL-471-H-RC 或類似国产欧美在线）
• 1x P 溝道 MOSFET（IRF9Z24NPBF 或類似国产欧美在线）
• 1x N 溝道晶體(ti) 管（2N3903 或類似国产欧美在线）
• 1x 1000 3 瓦電阻器（W3M1000J 或類似国产欧美在线）
• 4x 1 kΩ ¼ 瓦電阻器
• 1x 330 Ω ¼ 瓦電阻器
• 2x 100 µF 電容器（80-ESK107M050AG3AA 或類似）
• 1x 肖特基二極管（MBR745G 或類似国产欧美在线）
開關(guan) 轉換器是一類有效的電路，用於(yu) 將輸入直流電壓轉換為(wei) 不同的輸出直流電壓。 在本實驗室中，我們(men) 將專(zhuan) 門考慮一個(ge) 降壓轉換器，該轉換器理論上設計用於(yu) 將直流輸入電壓降至低於(yu) 輸入的任何輸出電平。 實際上，由於(yu) 各種電氣元件的損耗，Z大輸出將略低於(yu) 輸入電壓。 在未來的實驗室中，我們(men) 將探索允許輸出大於(yu) 輸入的升壓轉換器。
圖 1 中的基本開關(guan) 轉換器將使用脈寬調製 (PWM) 輸入信號來驅動充當開關(guan) 的晶體(ti) 管。 當 PWM 信號分別為(wei) 高電平和低電平時，負載兩(liang) 端的電壓將在 Vs 和 0 V 之間交替。 由此可見，負載上的平均電壓將隨著 PWM 輸入信號上占空比的增加或減少而增加。
對於(yu) 該電路的占空比脈衝(chong) 輸入，將產(chan) 生如圖 2 所示的脈衝(chong) 輸出。 對於(yu) 這種理想的簡單電路設計，脈衝(chong) 輸出占空比將與(yu) 輸入 PWM 占空比完全匹配，其中：
從(cong) 圖 1 和圖 2 中，我們(men) 可以推斷出負載上的平均電壓將由下式描述：
平均輸出與(yu) 占空比直接相關(guan) 。 在許多国产成人在线观看免费网站中，需要純直流輸出。
為(wei) 了在負載上產(chan) 生純直流輸出，可以將低通濾波器国产成人在线观看免费网站於(yu) 基本開關(guan) 轉換器，如圖 3 所示。如果我們(men) 可以產(chan) 生理想的低通濾波器，在 V 上測得的輸出自然會(hui) 變為(wei) Vs (D) 如上所述。 然而，由於(yu) 我們(men) 知道我們(men) 無法創建理想的低通濾波器，因此以下理論將主要根據負載和 PWM 輸入頻率介紹電感器和電容器的尺寸考慮因素。
以下分析假設圖 3 中的二極管將始終保持正向偏置。 因此，我們(men) 需要確保電感電流保持為(wei) 正，或者換句話說，在連續電流工作區域內(nei) 。 如果在 PWM 輸入信號的每個(ge) 周期內(nei) 允許電感電流歸零，則電感將工作在不連續電流區域，下麵的分析將失效。 基本上在不連續電流區域中，您將不再看到 PWM 輸入 PW 和負載輸出電壓 V0 之間的密切相關(guan) 性。 為(wei) 了適當地調整電感器的大小，我們(men) 可以使用以下等式：
其中 f 是 PWM 輸入頻率，Prat 是轉換器的Z大額定功率，k 是您希望設計的Z大與(yu) Z小輸出功率輸出之比。這個(ge) 方程將幫助我們(men) 找到電感 Lmin 的Z小值，假設我們(men) 保持 f 不變。鑒於(yu) 許多負載可能具有不同的功耗，Lmin 應通過調整 k 和 f 來確定大小。我們(men) 通常會(hui) 將 k 設計為(wei) 介於(yu) 3 到 10 之間，並且許多電力電子国产成人在线观看免费网站會(hui) 將 f 保持在 50 kHz 左右或更低。但是，此時看到 100 kHz 範圍內(nei) 的開關(guan) 頻率並不少見。在各種国产成人在线观看免费网站可能需要單個(ge) 轉換器的情況下，我們(men) 必須考慮方程式 3 中每個(ge) 參數的平衡。圖 3 中的電容器將控製負載上的紋波電壓。紋波電壓是當 PWM 輸入分別打開和關(guan) 閉時，由電容器的恒定充電和放電引起的負載電壓的微小變化。可接受的紋波電壓水平是降壓轉換器設計中必須規劃的另一個(ge) 設計考慮因素。如果我們(men) 知道所需的紋波電壓Z大水平 (ΔV0-pp)，公式 4 允許計算Z小電容水平。
假設我們(men) 有以下配置：
• VS = 12 V
• RL = 100 歐姆
f = 50 kHz
• Pmax = 1.44 瓦
• Pmin = 0.36 瓦
• 紋波電壓 <= 3 mV
如果我們(men) 想確保我們(men) 可以將持續電流保持在 6 V，我們(men) 可以假設 D 為(wei) 50%。 實際上，D 可能會(hui) 根據各個(ge) 組件的大小略有不同，但 50% 是一個(ge) 很好的起點。
請注意，如果我們(men) 想進一步降低所需的電感，我們(men) 可以提高 PWM 頻率，直至晶體(ti) 管的Z大開關(guan) 頻率。 例如，如果我們(men) 知道我們(men) 有 470 µH 的電感器可用，我們(men) 現在可以進入並找到所需的開關(guan) 頻率以使上述方案工作。 在隨後的案例中，我們(men) 需要 53.191 kHz 的開關(guan) 頻率來確保連續電流，同時將負載兩(liang) 端的電壓降至 6 V。
我們(men) 現在可以調整電容器的大小以考慮輸出端所需的紋波電壓。
圖 3 中電路的左半部分是對現實的過度簡化。 為(wei) 了正確考慮輸入端的各種電壓電平以及 PWM 輸入和源電壓之間的不同電平，需要增加複雜性。
如圖 4 所示，電路的右半部分與(yu) 上麵的圖 3 相同。但是，電路的左側(ce) 包含必要的邏輯，以允許外部輸入正確啟用開關(guan) ，而不會(hui) 損壞任何組件。這種開關(guan) 設計對於(yu) 大多數開關(guan) 型 DC-DC 轉換器都是有效的。我們(men) 基本上已經使用 P 溝道 MOSFET 創建了一個(ge) 高側(ce) 開關(guan) 。我們(men) 使用 NPN 晶體(ti) 管為(wei) MOSFET 提供所需的柵極輸入，並用我們(men) 的 PWM 輸入驅動晶體(ti) 管上的柵極。該 PWM 輸入可以來自大多數頻率接近 50 kHz 的函數發生器。在下一節中，我們(men) 將評估設計並從(cong) 上麵測試我們(men) 的預測。
使用上麵的圖 4，我們(men) 現在將同時使用 Multisim 和 LT Spice 來模擬和測試我們(men) 上麵設計的有效性。Z終，我們(men) 的目標是在實施前在模擬中基於(yu) 理論測試預測。此外，我們(men) 將研究這種設計的預測效率。與(yu) 使用開關(guan) 型轉換器的重點保持一致，正常目標是在設計範圍內(nei) 實現接近 90% 或更高效率的效率。然而，我們(men) 預計隨著我們(men) 越來越接近組件設計的限製，設計在仿真和實踐中都會(hui) 失去效率。此外，根據設計，我們(men) 預計增加的開關(guan) 頻率會(hui) 導致效率降低，因為(wei) 每個(ge) 開關(guan) 周期，都會(hui) 有一段時間 P 溝道 MOSFET 有高電壓和電流通過它。這種轉變的持續時間不會(hui) 隨著頻率的增加而改變。然而，P 溝道 MOSFET 內(nei) 這個(ge) 過渡期的總時間比率會(hui) 隨著開關(guan) 頻率的增加而自然增加。回想一下，使用高開關(guan) 頻率的主要原因是降低所需的電感值 L1。
為(wei) 了估計設計的效率，我們(men) 僅(jin) 測量負載兩(liang) 端的功率，並將其與(yu) 電源輸出功率進行比較。使用 MultiSim，我們(men) 能夠非常輕鬆地探測電路中的兩(liang) 個(ge) 點。在實踐中，我們(men) 需要測量每個(ge) 點的電流和電壓以進行比較。
通過提供從(cong) 100% 到 10% 的各種占空比值，獲得了以下結果。 主要觀察結果是降壓轉換器的設計導致效率隨著占空比的降低而降低，如下所示。
根據上表中建立的基線結果，我們(men) 的目標是設計一個(ge) 可配置的印刷電路板 (PCB)，使學生能夠基於(yu) 組件關(guan) 係的基線知識測試各種假設。例如，要測試的一些有趣假設是：
開關(guan) 頻率與(yu) 觀察到的效率之間的關(guan) 係
電感與(yu) 開關(guan) 頻率的關(guan) 係
電容與(yu) 紋波電壓的關(guan) 係
為(wei) 了適應如上所述的快速探索，可以輕鬆更改關(guan) 鍵組件 L1、C1、C2 和負載值的可配置 PCB。此外，我們(men) 希望允許各種技術來提供反饋和控製占空比或 PWM 信號源。
為(wei) 了實現允許我們(men) 探索既定設計目標的模塊化電路，圖 4 中的電路被設計到以下 PCB 中。值得注意的是，目標是實現一個(ge) 簡單的實驗室輔助設備，而不是一個(ge) 商業(ye) 級 DC-DC 降壓轉換器。與(yu) 其將任何電容器、電感器或負載永久固定在板上，不如使用簡單的接線端子。雖然這個(ge) 設計可以很容易地在基本的原型板上構建，但我們(men) 選擇設計一個(ge) 可配置的 PCB 來幫助更快地研究關(guan) 鍵概念，而不是讓學生構建原型所花費的時間。雖然原型設計工作很有價(jia) 值，但這不是本實驗室實驗的目的。
圖 7 中的圓圈區域突出顯示了可用於(yu) 更改圖 4 中的 C1、C2、L1 和負載值的接線端子。
圖 8 中帶圓圈的區域顯示了可以向控製器提供 PWM 信號的位置。在大多數情況下，PWM 輸入將連接到左下角的圓圈區域。但是，如果您使用的是 TL-5001 PWM 控製器之類的芯片，則需要在中心圓形接線端子中提供輸入。使用中心端子塊將繞過 NPN 晶體(ti) 管並將信號直接提供給 P 溝道 MOSFET。此外，中央接線端子允許您在 P 溝道 MOSFET 的柵極和 NPN 晶體(ti) 管的集電極之間連接一個(ge) 附加電阻。
圖 9 中圈出的接線端子提供與(yu) 負載並聯的分壓器輸出。該分壓器可以定製配置，以提供各種不同的電壓電平，以結合反饋回路，以允許動態控製負載上的占空比和輸出電壓。
圖 10 顯示了按照圖 4 中的設計完全配置的 DC-DC 降壓轉換器 PCB。
在本節中，我們(men) 將把降壓轉換器的性能與(yu) 仿真結果進行比較。 正如您在下麵的表 2 中看到的那樣，效率確實如模擬所預期的那樣下降，但總體(ti) 趨勢和幅度相似。 此外，負載兩(liang) 端的電壓與(yu) 我們(men) 的模擬非常匹配（每個(ge) 占空比在 0.2 V 以內(nei) ）。 顯然，我們(men) 可以預期實際組件會(hui) 出現一些變化，但下麵的結果提供了一定程度的基本保證，即我們(men) 的降壓轉換器按預期工作，並且始終是深入調查之前的第①步。
5.2 P 溝道 MOSFET 的柵極源極電壓
有了這個(ge) 基本比較，我們(men) 現在可以進行一些額外的測量來觀察所選組件的功能區域。一項有趣的測量是測試 P 溝道 MOSFET 的柵源電壓，以確保它低於(yu) 組件數據表中指定的Z大值。根據數據表，VGS,Max = ±20V。使用示波器上的數學通道和兩(liang) 個(ge) 輸入通道，我們(men) 可以測量柵極和源極的電壓，如圖 11 所示。如下所示，即使存在過衝(chong) ，我們(men) 也永遠不會(hui) 接近組件的極限.
在圖 11 中，我們(men) 繪製了通道 A 上的 P 通道 MOSFET 柵極電壓和通道 B 上的 P 通道 MOSFET 源極電壓。然後我們(men) 使用數學通道來找到 VGS。即使有過衝(chong) ，我們(men) 也永遠不會(hui) 接近組件的極限。然而，當我們(men) 將降壓轉換器的輸入源電壓增加到 16 V 時，如圖 13 所示，過衝(chong) 測量為(wei) -18.62 V。因此，我們(men) 可能會(hui) 在高於(yu) 17 V 左右時損壞 FET 柵極。
在不移動示波器輸入探頭的情況下，我們(men) 可以進行另一個(ge) 有趣的測量。我們(men) 可以測量從(cong) PWM 信號變高到 P 溝道 MOSFET 的柵極電壓穩定為(wei) 零的時間。通過將Z左邊的光標設置為(wei) 參考，我們(men) 可以知道這個(ge) 時間是 1.5 µs。像這樣的測量可以為(wei) 給定所選組件的開關(guan) 頻率上限提供支持。
之前演示的測量隻是您可以使用此板進行的探索類型的一小部分。 顯然，我們(men) 可以更改組件值來檢驗各種假設。 此外，您可以創建一個(ge) 反饋回路並讓學生設計一個(ge) PID 控製器來保持恒定的電壓輸出。
像 Moku:Go 這樣的一體(ti) 式儀(yi) 器係統提供了一種靈活的解決(jue) 方案來增強專(zhuan) 用實驗室，並且在許多情況下可以提供更高的靈活性，以更高的重複性和頻率為(wei) 學生帶來演示。 當與(yu) 上麵討論的定製實驗相結合時，我們(men) 可能有機會(hui) 打破目前阻止許多學生選擇學習(xi) 電氣和計算機工程的某些障礙。
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