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XL4013 BUCK电路的PWM调压与模拟调压方案

引言 

在电压变换时,我们常常会用到调压,其中以PWM或模拟调压应用最广泛,本文给出一种简单可行的FB点调压方式。

原理图 

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图 1.调压原理图 

图1中,以 XL4013为例简要说明,蓝色标号部分(R1~R4,C3)为PWM调压电路,其中R1、R2为通常的分压电阻。VA为模拟调压信号,VPWM为PWM调压信号,当调压信号为模拟信号时,C3电容可以省略。

原理说明 

芯片正常工作时,FB点电压平均值为稳定值,此电压由两部分提供,其一是VOUT,其二VA/VPWM(为方便, 以下只写成 VA)。那么,可以将VOUT与VA看作两个独立电压源,利用叠加定理,可以列出下面的式子。

加号左边为VA单独作用时FB点的电压,加号右边为VOUT单独做用时 FB点的电压,可解得: 

VOUT =− a ∗ VA + b 

其中:

式子中R1~R4,VFB均为定值且大于0,故a与b均为大于0的定值,VOUT是VA的一次函数,函数图像如下:

image

图 2.理论上输出电压与VA的关系

设计步骤 

例:VIN=24V,我们需要VA在0~5V之间,输出0~15V可调,其中VFB=1.25V。计算原理图中各元器件参数 

步骤 1:选定R2的值,R2的值通常可以在10K~100K之间选择,此处选择20K。 

步骤 2:计算R3,R4的值。 

当VA=0时,输出最高电压15V,故有:

当VA=VAMAX=5V时,VOUT=0V,故有:

上两式联立可得:

解得:

可选R3=R4=3.3KΩ。 

步骤 3:计算R1的值。将R3,R4代回步骤2的式子中,可得R1=2.5KΩ。 

实验验证 

按上方计算的参数,给VA加0~5V电压与0~100占空比的电PWM信号(高电平5V,低电平0V,频率10KHz),使用XL4013(VFB=1.25V)进行验证:

原理图:

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图 3.测试用原理图

测试结果:

模拟调压:

PWM调压:

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图 4.实测与理论VOUT的对比

图中红色为模拟调压,绿色为PWM调压,蓝色为理论值。从图中可以看出,无论是模拟调压还是PWM 调压,都与理论值符合的很好。

优缺点 

1. 优点:简单可靠,成本低,线性度十分好。 

2. 缺点:计算较为复杂;PWM调压时,对单片机的驱动能力有一定要求;VA端悬空时(通常不会悬空),输出电压既不是最大值,也不是最小时。 

注意事项 

1. R3,R4尽可能选的相近一些,这样在PWM调压时,可以有更好的滤波,同时R3+R4不宜过小,过小会增 加单片机驱动的难度,同时不利于滤波。 

2. PWM调压时,频率尽可能在1KHz以上,可以保证较好线性度。 

3. R1~R4电阻均要保证至少1%的精度。 

4. 受芯片FB精度的影响,有一定的离散性。离散情况见下图(红色为标准VFB,绿色为上偏2%的VFB,蓝色为下偏2%的VFB):

图 5.VFB的离散性对输出的影响。

常见问题 

1. PWM信号需要反向。 

2. PWM信号驱动能力不足。

图 6.反向电路与增强驱动能力(电压跟随器)电路 

相关参数表(基准电低1.25V,5V PWM信号,输出电压最低电压为0V) 

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