一种双路Buck 变换器研究

闪静洁，孙照阳

（安徽城市管理职业学院 轨道交通学院，安徽合肥，230012）

0 引言

单路Buck 变换器电路简单、效率高、动态特性好，在产品中得到广泛应用，但输出纹波偏大的缺点限制了其在特定场合的应用。为此，急需解决单路Buck 变换器的输出纹波问题。单路Buck 变换器在进行大电流输出时，开关管应力较大，系统效率和散热效果不佳等问题都较为明显[1~3]。因此，在低电压大电流场合一般不会采用单路Buck 变换器。

解决单路Buck 变换器输出纹波大的问题，通常采用增加Buck 变换器输出滤波电路的方案[4~5]，但这种方案增加了Buck 变换器的成本和体积，降低了动态响应速度和效率[6~7]。而双路Buck 变换器，在不增加每路开关频率的基础上，通过双路Buck 变换器级联提高系统输出纹波频率，减小输出纹波。同时通过双路开关管轮换导通传递能量，提高变换器的功率密度、散热能力和动态响应能力。另外，通过采用碳化硅功率管，可以有效提高系统的效率及性能，对改善电源可靠性具有重要意义。

本文设计的双路Buck 变换器级联结构与通常所说的交措控制Buck 变换器不同，它是基于双路Buck 变换器级联后的轮换控制，其电路实现更简单、元器件更少、控制也更方便。

1 双路Buck 级联电路的工作原理

在介绍双路Buck 变换器之前，先了解下多路Buck 变换器。多路Buck 变换器是单路Buck 变换器级联运行方式的一种。多路Buck 变换器是指多路开关管级联且开关频率相同，多路开关管的导通时刻依次相差一定的开关周期。多路Buck 变换器不同于交错级联Buck 变换器[8]，这类Buck 变换器虽然也由开关管、续流二极管、滤波电感、滤波电容等组成，但其续流二极管和滤波电感是公用的，这种工作方式可以在纹波要求高、散热效果不佳的电源领域发展应用。

双路Buck 变换器是多路Buck 变换器中最典型的变换器。双路Buck 变换器的两个开关管的D、S 端对应连接，通过控制G、S 之间的驱动信号实现轮换导通，从而使得驱动频率相同、相位近似互补，在双路开关频率不变的前提下，将输出纹波频率提高到每路开关的两倍，进而降低输出纹波，同时通过分散开关管的排布改善散热效果。

综上可知，双路Buck 变换器相对于单路Buck 电路而言，具备绝明显优势。它对滤波感性、容性元件和磁性元件的要求明显降低，从而使设计出的滤波网络体积更小、整机功率密度更高。其中，双路Buck 变换器原理示意图如图1所示。

图1 双路Buck 变换器原理示意图

其中，Q1 和Q2 是双路级联的开关管，在电路工作过程中，开关管Q1和Q2的驱动信号按图2所示时序进行变化。即在Q1 和Q2 的D、S 端对应连接的前提下，Q1 和Q2 各自的G、S 之间的驱动信号轮换导通，使得驱动频率相同、相位近似互补。

图2 Q1 和Q2 驱动波形示意图

2 双路Buck 变换器设计

下面通过以一种双路Buck 变换器设计过程为例，说明双路Buck 变换器的设计方法。该双路Buck 变换器的设计参数为：输入电压520V(420V~620V)，输出电压400V，输出功率3kW，每路开关频率30kHz，纹波系数0.2。

■2.1 主电路设计

该变换器的主要特点是效率高、纹波小、滤波电路体积小。主电路采用双路单管级联为基本拓扑，并采用碳化硅开关管。设计内容主要包括主电路、控制单元、驱动电路和闭环调节电路。针对双路Buck 变换器，为了保证两路开关管支路之间电流一致性，在主电路设计时，尽可能使双路的布局基本相同，开关管用同一批次产品，并通过对双路进行整体的闭环调试，测试纹波等相关指标。双路Buck 变换器主电路原理图如图3 所示。

图3 主电路原理图

其中，C2、C3、C7、C9、C5 为输入滤波电容，用于实现对直流输入的削峰填谷，提高直流输入电能质量；R3和R7 为输入死负载电阻，主要用于实现输入滤波电容的放电和稳定直流输入；Q1 和Q2 为开关管，用于实现输入输出能量变换；C1 和R1 为开关管Q1 和Q2 的RC 滤波电路，用于吸收开关管Q1 和Q2 开关过程中的电压尖峰，保证开关管Q1 和Q2 的使用安全；R2 和R6 为开关管G、S 端的放电电阻，用于开关管G、S 寄生电容放电，提高开关管的关断速度；R8为输出电流采样电阻，用于实现输出电流采样；L1 为滤波电感、C6 和C8 为滤波电容，L1、C6 和C8 构成LC 滤波电路，实现对直流输出的滤波处理，提高直流输出电能质量；V1 为续流二极管，实现开关管关断过程中电路能量的有效续流，保证输出电流的连续性。

双路Buck 变换器的主电路设计重点为开关管的选型及输出滤波电路参数设计。其中，开关管的选型需要考虑开关管的电压电流应力、开关频率、导通阻抗、热阻等内容，选型过程相对简单。下面重点说明输出滤波电路参数设计，该部分为主电路设计的要点。

为保证双路Buck 变换器高效可靠工作，将从CCM 模式和临界模式两个方面入手，保证滤波电感和滤波电容的设计满足要求。

（1）滤波电感设计

当Buck 变换器工作在CCM 模式时，双路Buck 变换器的电感电流为输出电流7.5A，输入电压最高时，Buck 变换器的工作状态最恶劣，此时滤波电感可由(1)得到。

当Buck 变换器工作在临界模式时，此时滤波电感可由(2)得到。

电感感量设计值不小于1.577mH。

（2）滤波电容设计

根据双路Buck 变换器特点，为满足纹波要求，滤波电容需满足(3)。

电容值与上述两种模式电感的对应关系如表1 所示。可以得到电感处于0.315mH~1.577mH 范围是，Co ≥3.556μF 即可满足纹波电压低于8V（既0.2×400）的要求。

表1 电容与电感关系对照表

故滤波电感的感量设计值不小于1.577mH，滤波电容的容量设计值不小于3.556μF，滤波电感和滤波电容的具体数值可结合产品电气性能要求和结构特征要求进行详细设计[9~10]，此处不再赘述。

■2.2 控制单元设计

控制单元是双路Buck 变换器的控制核心，其设计选型将直接影响双路Buck 变换器的响应速度、可靠性、控制精度和设计成本[5]。为此，在市场主流控制芯片中遴选最合适的控制芯片，保证双路Buck 变换器的控制效果。双路Buck 变换器控制单元采用控制芯片SG3525，并辅助其他相关元器件实现。其中，SG3525 作为一款集成PWM 控制芯片，它的性能优良、功能齐全，在很多领域中有着广泛的应用，而且设计简单，性能可靠，使用方便，同时能限制最大占空比。控制单元原理图如图4 所示。

图4 控制单元原理图

■2.3 驱动电路设计

由于双路Buck 变换器需要双路相差180 度的驱动信号，双路轮换控制采用SG3525 芯片来输出 PWM 波，然后再通过功率放大电路，实现开关管的轮换控制。而为了保证双路Buck 变换器开关管的正常通断，驱动电路的驱动能力和驱动效果是驱动电路设计需要着重考虑的内容。所以本产品优选图腾柱驱动电路，并根据本产品特点对图腾柱电路进行优化设计，在保证开关管驱动能力和驱动效果的同时，实现驱动信号与控制单元之间的电气隔离，解决Buck 电路“浮地”驱动控制问题。驱动电路原理图如图5 所示。

图5 驱动电路原理图

■2.4 调节电路设计

闭环调节电路是实现双路Buck 变换器开关管稳压输出和最大电流保护的重要组成部分，同时也是提高变换器动态响应速度和控制精度的核心。为此，将根据双路Buck 变换器的应用环境，采用电压闭环控制及最大电流保护模式。其中，电压环路用于实现输出稳压，最大电流保护用于实现最大电流限制，并通过电压环路对调节信号的钳位，实现电压环路优先控制。调节电路原理图如图6 所示。

图6 调节电路原理图

3 应用试验

根据双路Buck 变换器的设计参数要求，在上述设计过程的基础上，结合电路设计要点和工程实际需要，制作了双路Buck 变换器的原理样机，并在保证相同输入电压、相同的开关频率和相同的输出电流条件下，分别进行测试，测试结果如图7所示。其中，图7(a)为单路Buck变换器实验波形，图7(b)为采用双路Buck 变换器实验波形。对比图7(a)和图7(b)可知，在相同的输入输出条件下，采用双路的Buck变换器的输出纹波比单路Buck 变换器输出纹波小。

图7 输出纹波实验波形

4 结语

综上所述，双路Buck 变换器利用了级联倍频原理，能够有效降低输出纹波。通过均衡化扁平化的能量平均分布设计，使电路的热分布更好，改善了功率器件的散热效果，进而提高能量变换效率和电路的可靠性。同时，在电路等效开关频率提高的情况下，双路Buck 变换器可以使用更小的滤波电感和滤波电容，降低了输出滤波电路的体积，并有效提高产品的动态响应能力，降低成本，具有较高的应用价值。

在上述双路的Buck 变换器研究的基础上，通过将多个开关管级联，并采用相似的轮换控制的方式，可以将双路级联轮换控制升级为多路级联轮换控制，进一步改善直流输出电能的质量，实现“零纹波”。但多路Buck 变换器和交错并联Buck 变换器的缺点类似，如每个开关管的占空比调节范围受限，使开关管的利用率偏低，限制了Buck 变换器级联数量的进一步增加。故如何实现Buck 变换器级联数量和输出纹波、散热效果及材料成本之间关系平衡，将是本课题下一步研究的重点。