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BUCK电路元件的耐压值该如何正确选择?

1. 简介

上图所示,参考[ BUCK电路中有哪些电压参数? ],根据电路节点来分类,BUCK电路有三个节点和对应的电压:

输入节点/输入电压Vin、开关节点/电压Vph、输出节点/输出电压Vout。

另外,同步降压型开关电源电路的功率级(Power Stage)由输入电容、输出电容、高边开关管、低边开关管,以及功率电感五个元件组成。本文,我们将简单分析这五个功率级元件耐压值的选型依据。

2. 开关节点的波形

参考上图,由BUCK电路的工作原理可知,忽略开关管导通压降V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 的情况下,在Ton期间,开关节点电压Vph等于输入电压Vin;在Toff期间,开关节点电压Vph等于0。

所以,以功率电感元件为分割,输入电容、高边开关管、低边开关管三个元件的耐压值应该大于等于电路设计参数中的V_(IN,MAX) ;

输出电容的耐压值应该大于等于输出电压典型值Vout,通常需要是输出电压典型值的 1.25 倍,也就是多预留 25% 的裕量。

3. 低边开关管的耐压值是否可以选型为 D*Vin 也就是 Vout ?

上图所示,如果将低边开关管上的平均电压表示为Vls,avg的话,那么Vd的大小用Vin或Vout如何表示呢?

低边开关管上的瞬时电压就是节点电压Vph,Vph在Ton期间的电压是Vin,在Toff期间的电压为0,那么将Ton期间的伏秒积平均到整个TSW周期有:

Vin * Ton = Vd,avg * Tsw

从而解得低边开关管在整个Tsw周期内的平均电压为

Vls,avg = (Ton/Tsw)*Vin = D*Vin = Vout

4. 高边开关管的耐压值是否可以选型为 (1-D)*Vin ?

同理,高边开关管在Toff=(1-D)*Tsw关断时间(低边开关管或续流二极管导通)漏极和源极之间承受的电压应力才是Vin,所以高边开关管在整个Tsw周期内的平均电压为

Vin*Toff=Vhs,avg*Tsw

从而解得高边开关管在整个Tsw周期内的平均电压为

Vhs,avg = (Toff/Tsw)*Vin=(1-D)*Vin

5. 小结

由此可见

① 输入电容的耐压值需要大于等于Vin,或者是Vin的1.25倍;输出电压的耐压值需要大于等于Vout,或者是Vout的1.25倍;这二者几乎是确定的

② 功率电感元件的位置比较特殊,是跨接在开关节点和输出节点之间的,通常不需要关注其耐压值。

③ 虽然在Toff关断时间内,高边开关管上的电压应力等于Vin,但是平均到整个Tsw周期内的平均电压等于(1-D)*Vin。

④ 虽然在Ton导通时间内,低边开关管或续流二极管上承受的电压应等于输入电压Vin,但是平均到整个Tsw周期内的平均电压等于输出电压Vout = D*Vin

那么,大家在选型高边开关管电压应力时,是大于等于Vin还是(1-D)*Vin?在选型低边开关管或续流二极管电压应力时,是大于等于Vin还是D*Vin=Vout?

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