基于TL431构成的自激式Buck变换器.doc

8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 DCM1Buck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，加在电感两端的电压为，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，电容放电及给负载供电。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、VD承受的反向电压均为。期间，电感由电压励磁、储存能量，磁通量增加；期间，输出电压与开关导通时方向相反加到电感上消磁、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。=考虑到，上式可以转化为（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）所示电感电流降到零的DCM模式。电感电流降为零期间（-）相当于导线，故，这期间VD承受的反向电压等于，VT的等于。根据“伏秒相等原则”，则输出电压为式中，是区间电感电流不为零的时间，。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。，是TL431内部的基准电压，=2.5V。（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，给VT2提供启动电流，VT2导通，继而VT1导通，二极管VD1反偏截止，电感励磁蓄能。输出电压经采样电阻（用于频率补偿）与的分压加TL431的参考端（R），电压小于2.5V时TL431的吸纳电流很小，VT2因基极电压较高而保持导通。另一方面，输入电压由与分压加到VT2的发射极，当VT2导通时发射极电流与的电流一同作用在上，电容充电，电压上升。图4 由TL431构成的Boost变换器随着VT1持续导通，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，VT2基极电压下降；电容充电、电压升高。因此，有下述过程发生：VT1集电极输出电压经与分压，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VT2基极电压下降，加速VT1、VT2关断。VT1、VT2关断时，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，VT2基极电压上升；电容放电、电压下降。因此，有下述过程发生：VT1集电极输出电压经与分压，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VT2基极电压上升，加速VT1、VT1导通。根据电路的工作原理可知，输出电压为=2.5=5.0V为为了便于深入分析电路工作的本质，现在把电源电压设为25V，实测输出电压为5.15V，VT2基极为9.85V，发射极为9.39V。若VT2不存在，经、分压，VT2发射极电压为7.8V（=25），因为VT2的存在且周期性导通，其发射极周期性输出电流作用与上，经暂存，故，VT2发射极的实际电压高于7.8V。如图5所示为开关管VT1基极与集电极的电压波形。由图示可见，VT1基极的电压波形为交流测试所得振幅约0.7V。实际上，VT2截止时VT1基极电压为，VT2导通时VT1基极电压比低0.7V，也就是说，VT1基极电压变化范围较小，若用直流测试，VT1基极电压0.7V的变化相对于太小了，根本不易观察。VT1集电极为振幅为25V的PWM脉冲，与VT1基极的负脉冲相对应，开关频率约214kHz。VT2导通时其集电极比电源电压低0.7V，基极约为9.85V，发射极约为9.39V，远远超过0.2V。VT1导通时其发射极为，集电极接近于。因此，VT2开关状态中的“开”状态是放大导通，而VT1开关状态中的“开”状态是饱和导通。VT1集电极VT1基极0.7V25V 图5 开关管VT1基极与集电极的电压波形如图6为VT2发射极与VT1集电极的电压波形。由图示可见，VT2发射极的电压近似锯齿波。VT2截止时，其发射极电压为与对电源的分压，两只电阻的电流相等。VT2导通时，其发射极输出电流，流经的电流增大，充电电压上升。VT2下一次截止时，放电电压下降。C2充电C2放电VT2发射极VT1集电极 图6 VT2发射极与VT1集电极的电压波形如图7所示为以VT2发射极为参考地，VT2基极与VT1集电极的电压波形。因以VT2发射极为参考地，故，VT2基极的波形就是其发射结的波形。由于VT2发射极约有9.39V直流电压，因此，以VT2发射极为参考地测试VT1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，VT1导通时间为880ns，电感电流不为零的时间为2.9s（=2.9div1s/div）。根据公式，得5.8V考虑到续流二极管VD1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。约9.39VVT2基极VT1集电极图7 以VT2发射极为参考地，VT2基极与VT1集电极的电压波形当电源电压降低到15V时VT1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。VT1集电极图8 电源电压为15V时VT1集电极的电压波形如图8所示可见，工作频率约为336kHz，折算成周期约为2.98s，开关管导通时间为1.12s，故占空比=1.12s/2.98s37.6%。根据公式，得=37.6%155.64V考虑到续流二极管VD1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，VT1集电极的输出电压经与分压加到TL431的阳极（A），在TL431的阳极（A）与地之间垫入一个附件电压，是TL431的工作电流与的电流在上共同作用的结果。TL431参考端（R）的电压为（2.5V）可表示为=+式中，是TL431参考端（R）与阳极（A）之间的电压，=2.5V，可见很小。稳态时为定值，当VT1导通时升高，增大，则必然减小。根据TL431的工作特性可知，其吸纳的电流减小，VT2基极升高，驱动VT1的电流增大，加速VT1导通。当VT1关断时只是TL431的工作电流在上的作用，与之前相比减小，则必然增大。TL431吸纳的电流增大，VT2基极下降，驱动电流VT1的减小，加速VT1关断。因此，TL431阳极（A）对地的附件电压，在VT1开关转换时起至关重要的作用。若把短路为零，VT1开关频率很高，开关损耗增大，电源输入电流明显增大。VT1发热至频率进一步升高，最终发热导致其损坏。如图9（a）所示为短路，崩溃之前某时刻VT1集电极的电压波形（频率高达915kHz）。若把改为47，的变化量变大，VT1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VT2的发射结压降，当大于约0.7V时VT2导通（见