DC-DC 电源转换器是当今常见的电子系统之一。 我们通常在从手机充电器到客机电源的所有事物中看到这种性质的子系统。 能够快速调试和评估各种电气子系统的质量对于电气工程师来说是一项尤为重要的技能。
DC/DC降压转换器设计和测量
DC-DC 电源转换器是当今常见的电子系统之一。 我们通常在从手机充电器到客机电源的所有事物中看到这种性质的子系统。 能够快速调试和评估各种电气子系统的质量对于电气工程师来说是一项尤为重要的技能。 美国空军对电力转换的应用特别感兴趣，因为我们的许多系统都使用了各种电力电子子系统。
降压转换器是一种开关降压转换器，是一种常用的子系统，可有效地将来自输入源（电源）的电压降低到适合输出（负载）的电平。 降压转换器是一种开关转换器，其中晶体管将用作开关，并将电路的电源侧隔离或连接到负载。 降压转换器的一个关键优势是电压转换的效率。 通常，我们可以预期设计良好的降压转换器的效率为 90% 或更高。
目标：本实验室旨在：
介绍降压转换器背后的基本理论
确定各个组件的尺寸注意事项
展示实际实施的分析和测量技术
本文中的实验室部分将基于 Liquid Instruments 的 Moku:Go。各种示波器、直流电源和函数发生器足以满足该实验室的需要。 Moku:Go 被选中用于该实验室实验，因为它在一个设备中包含了该实验室所需的所有测试设备。
这项工作的总体目标是开始开发一系列全面的实验室实验，这些实验既可以作为独立练习进行，也可以与深入的理论相结合。目的是让学生接触各种关键概念，并让他们同时探索他们的实际应用。这些实验室旨在粗略地介绍理论和必要的计算，但不会提供大多数电气工程教科书中常见的所有必要推导。选择这种策略是为了向更广泛的专业水平的学生展示一个更平易近人的实验室，并意识到实验室可以很容易地与增加的理论讨论相结合。
完全执行本教程的实验室部分需要以下材料清单。
• 1x Moku:Go 或
– 1x 函数发生器，能够产生 50 kHz PWM 信号
– 1x 示波器
– 1 个 12 V 和 150 mA 电源
• 1x 原型板或模块化印刷电路板 (PCB) 设计如下所述
• 1x 470 µH 电感器（652-2100LL-471-H-RC 或类似产品）
• 1x P 沟道 MOSFET（IRF9Z24NPBF 或类似产品）
• 1x N 沟道晶体管（2N3903 或类似产品）
• 1x 1000 3 瓦电阻器（W3M1000J 或类似产品）
• 4x 1 kΩ ¼ 瓦电阻器
• 1x 330 Ω ¼ 瓦电阻器
• 2x 100 µF 电容器（80-ESK107M050AG3AA 或类似）
• 1x 肖特基二极管（MBR745G 或类似产品）
开关转换器是一类有效的电路，用于将输入直流电压转换为不同的输出直流电压。 在本实验室中，我们将专门考虑一个降压转换器，该转换器理论上设计用于将直流输入电压降至低于输入的任何输出电平。 实际上，由于各种电气元件的损耗，Z大输出将略低于输入电压。 在未来的实验室中，我们将探索允许输出大于输入的升压转换器。
图 1 中的基本开关转换器将使用脉宽调制 (PWM) 输入信号来驱动充当开关的晶体管。 当 PWM 信号分别为高电平和低电平时，负载两端的电压将在 Vs 和 0 V 之间交替。 由此可见，负载上的平均电压将随着 PWM 输入信号上占空比的增加或减少而增加。
对于该电路的占空比脉冲输入，将产生如图 2 所示的脉冲输出。 对于这种理想的简单电路设计，脉冲输出占空比将与输入 PWM 占空比完全匹配，其中：
从图 1 和图 2 中，我们可以推断出负载上的平均电压将由下式描述：
平均输出与占空比直接相关。 在许多应用中，需要纯直流输出。
为了在负载上产生纯直流输出，可以将低通滤波器应用于基本开关转换器，如图 3 所示。如果我们可以产生理想的低通滤波器，在 V 上测得的输出自然会变为 Vs (D) 如上所述。 然而，由于我们知道我们无法创建理想的低通滤波器，因此以下理论将主要根据负载和 PWM 输入频率介绍电感器和电容器的尺寸考虑因素。
以下分析假设图 3 中的二极管将始终保持正向偏置。 因此，我们需要确保电感电流保持为正，或者换句话说，在连续电流工作区域内。 如果在 PWM 输入信号的每个周期内允许电感电流归零，则电感将工作在不连续电流区域，下面的分析将失效。 基本上在不连续电流区域中，您将不再看到 PWM 输入 PW 和负载输出电压 V0 之间的密切相关性。 为了适当地调整电感器的大小，我们可以使用以下等式：
其中 f 是 PWM 输入频率，Prat 是转换器的Z大额定功率，k 是您希望设计的Z大与Z小输出功率输出之比。这个方程将帮助我们找到电感 Lmin 的Z小值，假设我们保持 f 不变。鉴于许多负载可能具有不同的功耗，Lmin 应通过调整 k 和 f 来确定大小。我们通常会将 k 设计为介于 3 到 10 之间，并且许多电力电子应用会将 f 保持在 50 kHz 左右或更低。但是，此时看到 100 kHz 范围内的开关频率并不少见。在各种应用可能需要单个转换器的情况下，我们必须考虑方程式 3 中每个参数的平衡。图 3 中的电容器将控制负载上的纹波电压。纹波电压是当 PWM 输入分别打开和关闭时，由电容器的恒定充电和放电引起的负载电压的微小变化。可接受的纹波电压水平是降压转换器设计中必须规划的另一个设计考虑因素。如果我们知道所需的纹波电压Z大水平 (ΔV0-pp)，公式 4 允许计算Z小电容水平。
假设我们有以下配置：
• VS = 12 V
• RL = 100 欧姆
f = 50 kHz
• Pmax = 1.44 瓦
• Pmin = 0.36 瓦
• 纹波电压 <= 3 mV
如果我们想确保我们可以将持续电流保持在 6 V，我们可以假设 D 为 50%。 实际上，D 可能会根据各个组件的大小略有不同，但 50% 是一个很好的起点。
请注意，如果我们想进一步降低所需的电感，我们可以提高 PWM 频率，直至晶体管的Z大开关频率。 例如，如果我们知道我们有 470 µH 的电感器可用，我们现在可以进入并找到所需的开关频率以使上述方案工作。 在随后的案例中，我们需要 53.191 kHz 的开关频率来确保连续电流，同时将负载两端的电压降至 6 V。
我们现在可以调整电容器的大小以考虑输出端所需的纹波电压。
图 3 中电路的左半部分是对现实的过度简化。 为了正确考虑输入端的各种电压电平以及 PWM 输入和源电压之间的不同电平，需要增加复杂性。
如图 4 所示，电路的右半部分与上面的图 3 相同。但是，电路的左侧包含必要的逻辑，以允许外部输入正确启用开关，而不会损坏任何组件。这种开关设计对于大多数开关型 DC-DC 转换器都是有效的。我们基本上已经使用 P 沟道 MOSFET 创建了一个高侧开关。我们使用 NPN 晶体管为 MOSFET 提供所需的栅极输入，并用我们的 PWM 输入驱动晶体管上的栅极。该 PWM 输入可以来自大多数频率接近 50 kHz 的函数发生器。在下一节中，我们将评估设计并从上面测试我们的预测。
使用上面的图 4，我们现在将同时使用 Multisim 和 LT Spice 来模拟和测试我们上面设计的有效性。Z终，我们的目标是在实施前在模拟中基于理论测试预测。此外，我们将研究这种设计的预测效率。与使用开关型转换器的重点保持一致，正常目标是在设计范围内实现接近 90% 或更高效率的效率。然而，我们预计随着我们越来越接近组件设计的限制，设计在仿真和实践中都会失去效率。此外，根据设计，我们预计增加的开关频率会导致效率降低，因为每个开关周期，都会有一段时间 P 沟道 MOSFET 有高电压和电流通过它。这种转变的持续时间不会随着频率的增加而改变。然而，P 沟道 MOSFET 内这个过渡期的总时间比率会随着开关频率的增加而自然增加。回想一下，使用高开关频率的主要原因是降低所需的电感值 L1。
为了估计设计的效率，我们仅测量负载两端的功率，并将其与电源输出功率进行比较。使用 MultiSim，我们能够非常轻松地探测电路中的两个点。在实践中，我们需要测量每个点的电流和电压以进行比较。
通过提供从 100% 到 10% 的各种占空比值，获得了以下结果。 主要观察结果是降压转换器的设计导致效率随着占空比的降低而降低，如下所示。
根据上表中建立的基线结果，我们的目标是设计一个可配置的印刷电路板 (PCB)，使学生能够基于组件关系的基线知识测试各种假设。例如，要测试的一些有趣假设是：
开关频率与观察到的效率之间的关系
电感与开关频率的关系
电容与纹波电压的关系
为了适应如上所述的快速探索，可以轻松更改关键组件 L1、C1、C2 和负载值的可配置 PCB。此外，我们希望允许各种技术来提供反馈和控制占空比或 PWM 信号源。
为了实现允许我们探索既定设计目标的模块化电路，图 4 中的电路被设计到以下 PCB 中。值得注意的是，目标是实现一个简单的实验室辅助设备，而不是一个商业级 DC-DC 降压转换器。与其将任何电容器、电感器或负载永久固定在板上，不如使用简单的接线端子。虽然这个设计可以很容易地在基本的原型板上构建，但我们选择设计一个可配置的 PCB 来帮助更快地研究关键概念，而不是让学生构建原型所花费的时间。虽然原型设计工作很有价值，但这不是本实验室实验的目的。
图 7 中的圆圈区域突出显示了可用于更改图 4 中的 C1、C2、L1 和负载值的接线端子。
图 8 中带圆圈的区域显示了可以向控制器提供 PWM 信号的位置。在大多数情况下，PWM 输入将连接到左下角的圆圈区域。但是，如果您使用的是 TL-5001 PWM 控制器之类的芯片，则需要在中心圆形接线端子中提供输入。使用中心端子块将绕过 NPN 晶体管并将信号直接提供给 P 沟道 MOSFET。此外，中央接线端子允许您在 P 沟道 MOSFET 的栅极和 NPN 晶体管的集电极之间连接一个附加电阻。
图 9 中圈出的接线端子提供与负载并联的分压器输出。该分压器可以定制配置，以提供各种不同的电压电平，以结合反馈回路，以允许动态控制负载上的占空比和输出电压。
图 10 显示了按照图 4 中的设计完全配置的 DC-DC 降压转换器 PCB。
在本节中，我们将把降压转换器的性能与仿真结果进行比较。 正如您在下面的表 2 中看到的那样，效率确实如模拟所预期的那样下降，但总体趋势和幅度相似。 此外，负载两端的电压与我们的模拟非常匹配（每个占空比在 0.2 V 以内）。 显然，我们可以预期实际组件会出现一些变化，但下面的结果提供了一定程度的基本保证，即我们的降压转换器按预期工作，并且始终是深入调查之前的第①步。
5.2 P 沟道 MOSFET 的栅极源极电压
有了这个基本比较，我们现在可以进行一些额外的测量来观察所选组件的功能区域。一项有趣的测量是测试 P 沟道 MOSFET 的栅源电压，以确保它低于组件数据表中指定的Z大值。根据数据表，VGS,Max = ±20V。使用示波器上的数学通道和两个输入通道，我们可以测量栅极和源极的电压，如图 11 所示。如下所示，即使存在过冲，我们也永远不会接近组件的极限.
在图 11 中，我们绘制了通道 A 上的 P 通道 MOSFET 栅极电压和通道 B 上的 P 通道 MOSFET 源极电压。然后我们使用数学通道来找到 VGS。即使有过冲，我们也永远不会接近组件的极限。然而，当我们将降压转换器的输入源电压增加到 16 V 时，如图 13 所示，过冲测量为 -18.62 V。因此，我们可能会在高于 17 V 左右时损坏 FET 栅极。
在不移动示波器输入探头的情况下，我们可以进行另一个有趣的测量。我们可以测量从 PWM 信号变高到 P 沟道 MOSFET 的栅极电压稳定为零的时间。通过将Z左边的光标设置为参考，我们可以知道这个时间是 1.5 µs。像这样的测量可以为给定所选组件的开关频率上限提供支持。
之前演示的测量只是您可以使用此板进行的探索类型的一小部分。 显然，我们可以更改组件值来检验各种假设。 此外，您可以创建一个反馈回路并让学生设计一个 PID 控制器来保持恒定的电压输出。
像 Moku:Go 这样的一体式仪器系统提供了一种灵活的解决方案来增强专用实验室，并且在许多情况下可以提供更高的灵活性，以更高的重复性和频率为学生带来演示。 当与上面讨论的定制实验相结合时，我们可能有机会打破目前阻止许多学生选择学习电气和计算机工程的某些障碍。
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