? ? ? 小編做電賽題的源題時候第一個電路就是做BUCK電路，還記得那是電設(shè)16年的寒假，學(xué)長給我們布置了任務(wù)說寒假在家好好看看開關(guān)電源的計競知識，搞懂什么是賽電BUCK、BOOST電路。最開始對電源題一點概念都沒有，不知道為啥我們參加比賽要“做題”，電賽做題難道是在試卷上答題嗎？現(xiàn)在看來真的很搞笑。不過學(xué)習(xí)就是這樣的，一個新的東西你不知道為啥這樣做，但是你就跟它搞慢慢的就搞懂了,要學(xué)會反向?qū)W習(xí)。
? ? ? ?說白了BUCK電路就是降壓電路，這個降壓電路不是買一個降壓的模塊，或者用一個降壓芯片實現(xiàn)的，而是通過開關(guān)管和單片機來實現(xiàn)的。同理BOOST電路就是升壓電路，這個升壓電路也不是買一個升壓模塊，或者用一個升壓芯片實現(xiàn)的，而是通過開關(guān)管和單片機來實現(xiàn)的。
? ? ? ?那么如何通過開關(guān)管和單片機來實現(xiàn)升壓和降壓呢？這就是我們要研究的主要內(nèi)容，用哪種的開關(guān)管、用哪一款的單片機、用啥樣的電路板、多大的電感？先說開關(guān)電源再說BUCK最后再說BOOST。
一、開關(guān)電源基本原理
1.1 ?簡介
??在大多數(shù)人的眼中，直流電源用來提供持續(xù)的電流、恒定的電壓，那么電能在電源（或電壓轉(zhuǎn)換器）的輸入端與輸出端一定是連續(xù)傳輸?shù)模陔娫磧?nèi)部的轉(zhuǎn)換過程也一定是連續(xù)流動的。對于線性穩(wěn)壓電源來說是這樣，但是對于當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的開關(guān)電源來說并不是這樣。在開關(guān)電源的內(nèi)部，能量被分割成間斷的小份，系統(tǒng)將這些小份的能量依次從輸入端“搬運”到輸出端，再經(jīng)過平滑濾波后以直流形式輸出。開關(guān)電源之所以有這樣看似“多此一舉”的特性，是與它所實現(xiàn)的功能密不可分的。
??線性穩(wěn)壓電源對能量的處理是連續(xù)的，但是它有兩個缺點：只能實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換效率低。當(dāng)我們需要升壓變換，或產(chǎn)生負(fù)電壓，或高效率（或大功率）電源時，線性電源就變得不可用了。開關(guān)電源巧妙地利用了電感和電容兩個無源元件的儲能特性，又使用了快速的開關(guān)器件使直流電的轉(zhuǎn)換更加自由、高效。
??脈沖方式的電壓變換電路可以分為兩部分。 一部分為脈沖控制器，根據(jù)輸出電壓的變化產(chǎn)生對應(yīng)的脈沖信號，控制調(diào)整管的導(dǎo)通與截止時間。控制方式可以分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。另一部分則是對應(yīng)的DC-DC電壓變換器，其功能即是在脈沖控制器的控制信號作用下，將不穩(wěn)定的直流電壓變換為穩(wěn)定的直流電壓輸出。按照輸出是否由調(diào)整元件等構(gòu)成的其他部分隔離，可分為非隔離型和隔離型；按照開關(guān)元件的激勵方式，可分為自激式和它激式；按照調(diào)整管在直流變換器中的位置不同可分為串聯(lián)型(降壓斬波式)、并聯(lián)型(升壓式斬波型式)以及極性反轉(zhuǎn)式開關(guān)穩(wěn)壓器。
1.2 ?脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）
??脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。PWM的產(chǎn)生一般采用直流電壓與內(nèi)部鋸齒波比較生成所需PWM波，如圖所示。
1.3? 拓?fù)湟约把苌負(fù)?/h3>
??所謂“拓?fù)洹本褪歉鱾€關(guān)鍵器件之間的連接關(guān)系。開關(guān)電源中的關(guān)鍵器件是電感、電容和開關(guān)器件(一般為MOS管、二極管)，這三種器件之間的連接關(guān)系決定了電路所實現(xiàn)的功能。
??最基本的開關(guān)電源拓?fù)溆校?br>??1.升壓拓?fù)?BOOST)：又叫升壓斬波器，輸出電壓大于輸入電壓，極性相同。
??2.降壓拓?fù)?BUCK)：又叫降壓斬波器，輸出電壓小于輸入電壓，極性相同。
??3.升/降壓拓?fù)?BUCK-BOOST)：又叫升/降壓斬波器，輸出電壓大于或者小于輸入電壓，極性相反。
??由這三種基本拓?fù)淇梢耘缮龆喾N拓?fù)洌鏔lyback(反激)，F(xiàn)orward(正激)，CUK，半橋，全橋等等。在電子設(shè)計大賽的題目中曾出現(xiàn)過Flyback(反激)變換器的設(shè)計，另外全橋和半橋也是我們經(jīng)常會用到的拓?fù)洹?/p>
二、BUCK壓型開關(guān)電源
2.1 ?BUCK電路原理
BUCK也是開關(guān)電源中常用的拓?fù)洌哂薪祲汗δ堋Ｆ涔ぷ鬟^程介紹如下：
??當(dāng)三極管或者M(jìn)OS管輸入的波形為高電平時，三極管或者M(jìn)OS管Q導(dǎo)通，二極管截止，儲能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C充電，給負(fù)載提供能量。當(dāng)三極管或者M(jìn)OS管輸入的波形為低電平時，三極管或者M(jìn)OS管Q關(guān)閉，二極管導(dǎo)通，儲能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C放電以及減小的電感電流維持，降壓完成。
BUCK電路原理圖
2.2? 設(shè)計技巧
??對于BUCK電路，過高的峰值電流是需要考慮的，可能導(dǎo)致開關(guān)波形出現(xiàn)較大的振鈴而使得MOS管燒壞。所以在布局設(shè)計的時候，首先還是確定主電路回路，堅持短而粗的原則。一般做BUCK電路的題目，都會是比較高精度的，所以對于電路硬性噪聲的控制必須要把握好。幾點需要考慮：
??主電路是否需要對EMI加以控制：在合適的地方放置磁珠，MOS管應(yīng)該平放在PCB上，單片機控制器盡可能和電感，MOS管等隔離。
??采樣電路：對于BUCK電路，一般會要求高精度，所以我們首先要選取高精度的AD，一般必須得14位以上，選用采樣電阻方案一般是可行的，采樣電阻要盡可能粗，體檢計算好他的損耗，確保在在效率要求范圍之內(nèi)。粗的采樣電阻意味著采樣范圍就小，所以一般我們會用一個高精度運放放大器去信號放大，同時也可以起到一定的隔離作用。
??單片機控制回路：對于數(shù)字電路部分，一定要注意保證電流不會回流，回流可能會發(fā)生在調(diào)試的時候控制波形出現(xiàn)問題，這樣就可能燒壞單片機IO口，所以隔離器還是建議添加的。對于單片機接在主回路上的5V或者3.3V電壓口，必須嚴(yán)格去耦，推薦10uf的鉭電容加上0.1uf的陶瓷電容，可以有效減小噪聲。
三、BOOST壓型開關(guān)電源設(shè)計
3.1 ?BOOST電路原理
??BOOST電路是開關(guān)電源拓?fù)涞幕就負(fù)渲唬亲钅艽黹_關(guān)電源特性的拓?fù)洹?br>
??Boost電路的工作原理分為充電和放電兩個部分來說明：
??在充電過程中，開關(guān)閉合(三極管或者M(jìn)OS管導(dǎo)通)，這時輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個比率跟電感大小有關(guān)。負(fù)載由電容C供電，隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量。
??在放電過程中，開關(guān)斷開(三極管或者M(jìn)OS管)時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。電感電勢與輸入電壓疊加，迫使二極管D導(dǎo)通，一起向負(fù)載供電，并同時向電容C充電，升壓完畢。
?? 升壓過程就是一個電感的能量傳遞過程。充電時，電感吸收能量，放電時電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過程中保持一個持續(xù)的電流。如果這個通斷的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。
BOOST電路原理圖
3.2 ?功率器件選型
1、MOS管
??MOS管是開關(guān)電源中唯一的有源元件，在對其選擇時需要首先考慮耐受程度的問題，即開通時的最大漏極電流ID和關(guān)斷時的最大漏源電壓Vds。在BOOST電路和BUCK電路中，MOS管上流經(jīng)的最大平均電流就是電感平均電流IL；在BOOST電路中MOS管承受的最大電壓是輸出電壓Vo與二極管導(dǎo)通壓降之和，BUCK電路中MOS管承受的最大電壓是輸入電壓Vin與二極管導(dǎo)通壓降之和。
??其次需要考慮其開關(guān)速度問題。如果開關(guān)頻率較高或?qū)π室筝^高，則應(yīng)選擇開關(guān)速度快的MOS管。
??BOOST電路和BUCK電路還可改進(jìn)成同步整流型，即將原來電路中的二極管換成MOS管，在工作時使兩個MOS管交替導(dǎo)通，可以改善因二極管導(dǎo)通壓降較大帶來的效率低的問題。處理得當(dāng)?shù)耐秸麟娐房梢赃_(dá)到98%以上的效率。如果使用同步整流方案，另一個MOS管也需要考慮耐受程度和開關(guān)速度等問題，控制電路還需適當(dāng)加入死區(qū)，保證任何時刻兩個MOS管至多只能有一個導(dǎo)通。
2、電感
??電感值的確定是電感選型的關(guān)鍵。流經(jīng)電感的電流一般都只有兩種狀態(tài)，上升和下降。我們選擇的電感值應(yīng)保證在穩(wěn)態(tài)時電感電流的變化量 不超過電流平均值的0.3～0.5倍，即
3、二極管
??非同步整流型電路中需要使用二極管。在選型時也需要考慮兩方面：耐受能力和速度。包括二極管的反向耐壓、正向最大電流以及反向恢復(fù)時間等等。一般來說大功率肖特基二極管是比較好的選擇，它具有較低的導(dǎo)通壓降、較大的最大正向電流以及極短的反向恢復(fù)時間。它的反向擊穿電壓較低(100V左右)，在某些電路中可能不適用。
4、電容
??在BOOST電路中要求電容有較強的帶負(fù)載能力，故應(yīng)盡量選擇大電容（一般來說輸出電壓在幾十伏左右的應(yīng)用可選擇幾千uF至10000uF）。而BUCK電路中對電容的要求相對弱一些，只需要滿足濾波器的濾波效果即可。BOOST和BUCK電路中的電容也不可選得過大，可能會造成電壓調(diào)節(jié)時電路反應(yīng)慢的問題。
??開關(guān)電源中電容都要作為儲能元件，不允許有過多的電能損耗。故儲能電容要選擇低漏電、低ESR的電解電容。開關(guān)電源中一般會有比較大的紋波，所以電容的耐壓值還應(yīng)留有30%-50%的裕量。
2.3 ?設(shè)計技巧
??在電子設(shè)計大賽的過程中，我們所設(shè)計的BOOST電路一般都是基于萬用板或者是PCB，關(guān)注點大多集中在指標(biāo)和熱穩(wěn)定性，電磁穩(wěn)定性等。相當(dāng)于是工業(yè)級電源系統(tǒng)的簡化版。
??我們知道對于BOOST電路需要在最惡劣的情況下(電感電流峰值)的條件下選擇器件，而電路布局同樣要在略高于最惡劣的情況下進(jìn)行設(shè)計。
??對于電子設(shè)計競賽的電源系統(tǒng)電路設(shè)計，宏觀上我們主要考慮兩個回路：大電流回路和信號回路。大電流回路也就是你的電源系統(tǒng)會流過大電流的線，在BOOST電源中，BOOST主回路都將是大電流回路（如下）：
??在設(shè)計這個主回路的時候，我們就需要考慮所用錫線的電阻率和發(fā)熱情況，一般來說對于2A以上的電流線，我們一般采用2個萬用板洞間距的寬度(200mil)就足以應(yīng)對最惡劣情況，發(fā)熱也小。同時較粗也可以保證在板子上承載大重量器件如電感電容的時候，板子不容易斷裂。同時我們需要做好地線的設(shè)計，因為對于BOOST電路，整個系統(tǒng)是共地的(不考慮反激等設(shè)計)，這個地線也將是信號的參考地，短而直的地線可以減少引線電感，降低電磁干擾，對于信號是有益的。我們一定要避免地線形成一個環(huán)，實際上任何信號線，功率線都不能自主形成一個環(huán)，通過法拉第電磁感應(yīng)定律我們很簡單知道這樣會造成很大的磁干擾。所以我們的功率走線要盡可能緊湊。
? ? ? ? 時鐘和數(shù)據(jù)信號還有電壓反饋信號一般是對于AD,DA來說的，AD,DA的數(shù)據(jù)采集和輸出對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要，它關(guān)乎著你的算法能否實際的起作用，試想一下，需要采集的電壓是2V，而你的時鐘會經(jīng)常抖動，電壓反饋信號的噪聲紋波達(dá)到了100mv，采集回來的電壓就由100mv的上下波動這就導(dǎo)致了你的控制精度被無限的降低，PID算法無法進(jìn)行，系統(tǒng)就會崩掉。所以我們一定要重視這些信號走線的安置。
? ? ? ?一個最基本的要求就是信號線要短，區(qū)別于高頻信號，電源系統(tǒng)里面基本是低頻信號，因此我們不需要用到類似蛇形走線這種方式，但是屏蔽線還是可以起到很好的作用。我們還需要做的就是考慮任何將強電回路和弱電回路隔離，我們可以采用隔離芯片來實現(xiàn)PWM驅(qū)動信號和AD控制信號等的隔離，從輸出或者輸入經(jīng)過分壓電阻回來的反饋信號我們可以通過一個運算放大器做一個跟隨器，利用他高輸入阻抗，低輸出阻抗的特性來做到隔離，當(dāng)然用三極管做成跟隨器也是個可行的方案，對于單點接地還是多點接地，一般我們在低頻電路里面多點接地，單點接地理論上都可以，不過推薦還是單電接地，避免大電流的時候出現(xiàn)地線電平不均衡分布導(dǎo)致控制信號的參考量不統(tǒng)一。具體的做法就是對于每一個信號模塊我們都引出一個地，然后將這個地匯聚到一點再接到強點地上，可以采用一個0歐的電阻做一個弱隔離。
「第一彈」電子設(shè)計大賽應(yīng)該準(zhǔn)備什么？
「第一篇」大學(xué)生電子設(shè)計競賽，等你來提問。
「第二篇」全國一等獎，經(jīng)驗帖。
「第三篇」電賽，這些你必須知道的比賽細(xì)節(jié)，文末附上近十年電賽題目下載
「第四篇」電賽控制題可以準(zhǔn)備一些什么？
「第五篇」全國電子設(shè)計競賽-電源題設(shè)計方案總結(jié)
「第六篇」對于電賽，我們應(yīng)該看重什么？
電子設(shè)計競賽電源題(1)-電源題簡介
電子設(shè)計競賽電源題(2)-檢波與采樣
電子設(shè)計競賽(三)-SPWM與PID
電子設(shè)計競賽(4)-常用的兩種PID算法
也有一些大神的經(jīng)驗貼，其實不乏國獎獲得者：
全國一等獎，他的學(xué)習(xí)之路。
從0開始，三個月，獲全國一等獎。
獎狀是怎么煉成的—我的電賽狂魔之旅
全國一等獎的獲得者，如今去當(dāng)了人民教師。
【大學(xué)生電子設(shè)計競賽分享經(jīng)驗貼】風(fēng)力循跡小車
「重磅猜題之第二篇」2019年大學(xué)生電子設(shè)計競賽
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