利用Excel簡化Buck型開關電源功率級設計

武漢晴川學院電子信息與機電工程學院 沈 琪

利用Excel簡化Buck型開關電源功率級設計

武漢晴川學院電子信息與機電工程學院 沈 琪

開關電源系統的設計常分為功率級設計和控制級設計，功率級設計主要任務就是器件參數的選定。常用的設計過程是比較繁瑣復雜的，且設計精度不高，耗時長。本文提出了一種利用Excel簡化Buck型開關電源功率級設計的方法，和常用設計方法做了對比，凸顯了其高效便捷等特性。

開關電源；Buck；功率級；Excel；簡化

0 引言

開關電源的設計愈來愈廣泛化、大眾化，從大學校園實驗室到各類公司設計部門等，都有著特定開關電源的設計需求。然而，也許對于多數普通設計者或者工程師而言，即使在清楚地知道一個開關電源的設計原理的情況下，仍會覺得設計是很繁瑣復雜的，尤其是在選定元器件參數的問題上感覺棘手。因為這一過程涉及到不斷地參數計算和調整，有時候必須得反過頭來重復的計算，以期從理論上使自己的設計接近目標要求，同時減少后期電路的調試工作的麻煩。所以如果有這樣一種工具：能夠快速地在輸入相關設計指標和一些主要元件參數后，自動計算出所需其它元器件參數和電路參數。那么，它將顯著地提高設計的效率，并能滿足多種多樣的設計需求。

Excel的強大的函數功能使得這種繁瑣的計算、調整再計算工作變得簡單可靠。目前，已經有一部分工程師或公司使用自己編制的Excel表簡化一些復雜電路設計中的部分參數計算和選型過程。文中就以常見的Buck型開關電源功率級的設計為例，利用Excel表簡化我們的設計過程。

1 Buck型開關電源設計原理

Buck電路是DC-DC拓撲結構中一種基本的變換電路，通過將較高電壓的直流電周期性的開通和關斷得到電壓平均值變低的直流電，在經過LC濾波電路，是電壓穩定，電流連續平滑。Buck電路功率級有多種，最簡之一如圖1所示。

圖1 Buck型開關電源功率級原理圖

該功率級電路主要包括：功率開關管Q1，N溝道MOSFET；二極管CR1，常稱續流管；電感L和電容C，構成輸出濾波電路，其中RC是電容的等效串聯電阻，RL是電感的等效直流電阻；電阻R作為電路輸出端的負載。

下面來看一下這些功率級電路中的元器件參數是如何確定的，即功率級的常用設計方式。

2 功率級電路的常用設計方式

由分析開關管的兩個工作狀態on和off，對應的電感電流IL的變化ΔIL情況可得兩個公式：

在一個周期內需要維持電路的穩定，即需要電感電流連續，且電感能量儲存和釋放相等。故式1應等于式2，化簡得式3：

式3中顯示了輸出VO和輸入VI、占空比D、開關管通態壓降VDS、續流管壓降Vd和電感等效直流電阻的壓降IL*RL之間的數量。

然而在只有設計指標VI和VO等要求的前提下難以確定控制驅動器的占空比D等參數，所以常用的解決方法是：先忽略（VDS、Vd和RL）小的變量影響，由簡化式VO=VI*D求出D；再計算輸出電流IO等相關量，最后再回過頭來考慮被忽略的量和其它參數，調整計算，得到實際接近設計目標的元器件參數。其過程簡略表述如下：

由IL(average)=IO(式4)

和常用設計規定ΔIL=（5%～10%）IL(式5)

及最小連續模式臨界電流IO(Critical)= ΔIL/2 (式6)

結合式1或者式2可得出所需最小電感值：

同樣可忽略部分小變化量簡化計算，最后再加入其它參數調整。也可由化簡式：

得出最小電感值，并預先保留足夠的裕量。

由連續模式下電感和電容的能量傳遞可知，電容儲存（釋放）的電荷與電感電荷的釋放（儲存）相等，結合紋波和截至頻率要求得出最小電容值：

以上得出了主要元器件的部分參數，但是仍然是還不夠的，比如：電感的儲能（磁飽和）情況和等效直流電阻RL也是必須考慮；電容的等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL；開關管Q1和續流管CR1的通態壓降VDS、Vd等，都是在以上計算中忽略的小變量，而實際當中是存在的，并影響著電路的穩定和功耗等設計指標，必須考慮，再作相應調整和計算。

當然，這一切對于富有開關電源設計經驗的工程師來說并不是難事，經驗的積累使他們能直接給出調整，選定參數。然而對于普通設計者而言，這樣繁瑣復雜的計算必定會影響設計的準確性和高效性，Excel工具的出現大大降低了這類工作的難度。

3 利用Excel工具快速計算電路參數

圖2 Buck轉換器組件計算工具

如圖2所示是源自TI公司制作的一個Buck轉換器組件（元器件）計算工具，來自于在TI官網上免費工具BUCK-CONVCALC。在使用該Excel工具設計降壓開關電源過程中發現，日常使用的Excel竟能發揮如此強大的功能，使設計的計算快速而準確，顯著提高了設計效率。

雖然，Excel界面簡潔，但表格中有較詳細的英文解釋說明，編輯欄可調出具體的計算公式。而且左側A、B列有原理圖和相應的電壓電流波形圖，這對于初學者和普通設計者來說，即直觀地反應了原理，又細致地說明了計算方法。限于篇幅，只截取了部分表格以作簡要說明。

同時，它的使用是非常方便的，只需要在陰影區輸入相關設計要求指標和部分器件參數，就能實時得到所需相應元器件參數。需輸入的指標和參數有：輸出輸入電壓VOUT和VIN，額定輸出電流IOUT，開關頻率fS，開關管通態電阻RDSon，續流管通態壓降VF；相應自動計算出很多相關量，如占空比D，最小電感值L和最小儲能E，最小濾波電容值COUT，以及最后在輸入標準電容參數后，相應的輸出紋波電壓的指標，等等。

4 總結與展望

本文對Buck型開關電源功率級的常用設計過程做了一定說明，論證了常用方法的繁瑣和復雜。而后提出了一種利用Excel工具的快速設計方法，該方法簡單，界面便捷實用，適合多層次設計者使用。不足在于沒有提出如何自主設計該類型的Excel工具。

除此之外，更高級的利用Excel工具實時調整波特圖的開關電源設計案例已經出現，而且加入了對控制級的設計，形成了以控制芯片為核心的開關電源系統設計，LM5117快速入門計算器就是其中一例。相信國外的這些發展定會帶給國內的學者和工程師一些思考和啟發。

[1]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].西安:機械工業版社(第5版),2009.

[2]Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies[R].Texas Instruments Literature Number SLVA057,March 1999.