一、实验目的这次使用Multisim搭建一个Buck降压开关电路输入电压为12V并分别接入50Ω和100Ω负载观察输出电压波形的变化。本次电路采用固定PWM信号控制MOS管暂时没有加入反馈因此它属于开环Buck电路。开环电路可以完成降压但输出电压会受到占空比、负载和元器件损耗的影响还不能算真正稳定的5V电源。二、电路图电路主要由以下元器件组成输入电源12V 开关管IRF9540 续流二极管1N5819 电感470μH 输出电容100μF 栅极上拉电阻10kΩ 栅极串联电阻100Ω 负载电阻50Ω或100Ω PWM周期10μs 低电平脉宽3.21μs整体工作过程可以简单理解为12V直流电源 → MOS管高速开关 → 电感储存和释放能量 → 电容滤除电压波动 → 向负载提供直流电压三、PWM信号的设置PWM周期为10μs因此开关频率为f 1 ÷ 10μs 100kHz电路中使用的是P沟道MOS管IRF9540。P沟道MOS管的特点是栅极接近12VQ1截止 栅极接近0VQ1导通因此真正控制Q1导通的是PWM信号的低电平部分。本次低电平脉宽为3.21μs所以Q1的导通占空比为D 3.21μs ÷ 10μs 32.1%这也是本次仿真实际使用的参数。需要注意理想Buck电路从12V降到5V时理论占空比为D 5V ÷ 12V ≈ 41.7%如果周期为10μs对应的理论导通时间约为Ton 10μs × 41.7% ≈ 4.17μs而本次实际设置为3.21μs与理论值存在差别。因此在观察波形时应该看稳定后的平均电压不能只看启动瞬间或波形最高值。这也是这次仿真中值得记录的一个问题脉冲宽度、占空比和MOS管实际导通时间并不一定是同一个概念还要看MOS管是高电平导通还是低电平导通。四、IRF9540的作用Q1是整个Buck电路的开关器件。当Q1导通时12V电源通过Q1和L1向负载供电同时电感和电容储存能量。当Q1截止时输入电源与后级断开但电感中的电流不能突然变为零电感会继续向负载供电。选择IRF9540的主要原因是它属于P沟道MOS管放在电源正端时比较容易理解和驱动。在本次几十到上百毫安的仿真中IRF9540的电流和耐压能力都足够实际上还有较大余量。需要注意仿真中的PWM电源能够直接输出0V和12V。真实单片机通常只能输出3.3V或5V不能直接完全照搬这个驱动方法实际制作时可能还需要MOS管驱动电路。五、R2为什么选择10kΩR2连接在Q1的源极和栅极之间相当于栅极上拉电阻。它的作用是把Q1的栅极拉到12V使Q1在没有PWM控制时可靠截止避免栅极悬空导致MOS管误导通。10kΩ是比较常用的栅极上拉电阻阻值太大栅极可能容易受到干扰阻值太小Q1导通时会产生较大的额外电流10kΩ兼顾了可靠关闭和较小功耗当PWM输出0V时R2中大约有I 12V ÷ (10kΩ 100Ω) ≈ 1.19mA这个电流比较小不会造成明显的额外功耗。六、R3为什么选择100ΩMOS管栅极在直流状态下几乎不消耗电流但栅极内部存在电容。PWM电平变化时需要快速给栅极电容充电或放电瞬间电流可能比较大。R3串联在PWM信号与栅极之间主要作用是限制栅极瞬间充放电电流减小开关过程中的振荡保护PWM驱动信号源100Ω属于常见的栅极串联电阻。它不会明显影响100kHz下的开关速度又能起到一定的限流作用。七、为什么选择470μH电感L1是Buck电路中负责储存能量的元器件。Q1导通时电感电流逐渐增加Q1截止时电感释放能量继续向负载供电。如果没有电感输出将接近快速变化的脉冲而不是较平稳的直流电压。选择470μH可以让电感电流变化得比较平缓也有利于在50Ω和100Ω负载下观察相对稳定的输出。不过电感也不能只看电感量。实际制作电路时还要注意电感的额定电流 电感的饱和电流 电感的直流内阻如果电流超过饱和值电感的滤波和储能能力会明显下降。八、为什么选择1N5819D1是续流二极管。Q1截止后电感仍然要维持原来的电流方向。此时1N5819导通为电感电流提供回路。如果没有这个二极管电感可能产生较高的反向电压对MOS管造成影响。1N5819属于肖特基二极管主要优点是正向压降较低开关速度较快最大电流约为1A反向耐压约为40VBuck电路工作频率为100kHz因此1N5819比普通低频整流二极管更加合适。二极管方向也不能接反。本电路中二极管阳极接地阴极连接Q1与电感之间的开关节点。九、为什么选择100μF电容C1是输出滤波电容。它的作用是Q1导通时储存电荷Q1截止时向负载补充电流减小输出电压纹波如果电容太小输出电压波动会比较明显。电容增大通常可以改善滤波效果但启动时间也会变长。100μF适合作为本次仿真的起始值。在实际电路中还可以并联一个0.1μF陶瓷电容用来滤除更高频率的开关干扰。十、50Ω负载测试当输出电压按5V计算时50Ω负载电流约为I 5V ÷ 50Ω 100mA负载消耗的功率约为P 5² ÷ 50Ω 0.5W因此如果搭建真实电路50Ω负载电阻最好选择1W或更高功率。50Ω属于相对较重的负载电路需要提供更大的电流。MOS管、二极管和电感上的损耗也会更加明显。十一、100Ω负载测试100Ω负载下的理论电流约为I 5V ÷ 100Ω 50mA负载功率约为P 5² ÷ 100Ω 0.25W与50Ω相比100Ω负载更轻输出电流降低了一半。对比两张波形可以观察负载变化后输出平均电压和纹波是否发生变化。如果输出电压随负载改变就说明固定占空比还不能实现真正的稳压。十二、这次遇到的问题1. 把理论占空比当成实际参数最开始根据5V÷12V计算出理论占空比为41.7%但电路图中的实际低电平脉宽是3.21μs对应32.1%。理论公式适合用来确定初始范围实际电路还需要结合PWM极性、开关方式和测量结果分析。2. 忽略了P沟道MOS管是低电平导通如果只看PWM的高电平很容易把MOS管的导通时间判断错误。IRF9540是P沟道MOS管PWM变成低电平时它才会导通。3. 启动波形不能代表稳定输出刚开始仿真时100μF电容需要充电因此输出会经历一个上升过程。测量输出电压时应等待波形进入稳定状态再观察平均值和纹波。4. 固定占空比不能自动稳压当前电路不会检测输出电压。负载从50Ω换成100Ω后即使PWM完全不变输出电压也可能发生变化。这不是仿真错误而是开环Buck电路本身的局限。十三、为什么还要加入反馈如果希望输出始终稳定在5V就需要加入反馈控制。基本过程是检测输出电压 → 与5V目标值比较 → 判断输出偏高还是偏低 → 自动调整PWM占空比输出低于5V时控制电路增大导通时间输出高于5V时控制电路减小导通时间。因此加入反馈后电路会变得更大但这也是从“能够降压”变成“能够稳压”必须增加的部分。十四、总结这次在Multisim中搭建了一个由IRF9540、1N5819、470μH电感和100μF电容组成的Buck降压电路并比较了50Ω和100Ω负载下的输出波形。本次PWM周期为10μs开关频率为100kHz。由于IRF9540在低电平期间导通3.21μs低电平脉宽对应32.1%的实际导通占空比。通过这次仿真可以理解MOS管、续流二极管、电感和电容在Buck电路中的作用可以也认识到固定PWM只能完成基本降压。下一步需要加入反馈控制让输出电压在负载变化时仍然保持稳定。
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