BUCK降压的原理简介【稻谷书屋】

SERVICEINTEGRITYINNOVATIONSHARINGBUCK DC/DC ConvertorGMT FAE:Billy.Chen致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential几种基本类型的开关电源几种基本类型的开关电源1-1几种基本类型的开关电源 开关电源:开关电源:利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等),通过控制电路,使电子开关器件不停地“接通”和“关断”,让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制,从而实现DC/AC、DC/DC电压变换,以及输出电压可调和自动稳压开关电源一般有三种工作模式:开关电源一般有三种工作模式:1.频率、脉冲宽度固定模式,2.频率固定、脉冲宽度可变模式,3.频率、脉冲宽度可变模式DC/AC逆变电源,或DC/DC电压变换多采用第一种工作模式以开关器件在电路联接方式分类:以开关器件在电路联接方式分类:1.串联式开关电源(BUCK)、2.并联式开关电源(BOOST)、3.变压器式开关电源(BUCKBOOST)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential串联式开关电源串联式开关电源 1-2-1串联式开关电源 的工作原理图1-1 a图1-1 b串联式开关电源输出电压的波形 Ui是开关电源的工作电压,即直流输入电压K是控制开关R是负载K导通输出Up/Ton(Up=Ui)K截止Up/Toff(Up=0)Ua是开关电源输出电压平均值UiDTTonUiUa*致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential串联式开关电源串联式开关电源 1-2-1串联式开关电源输出电压滤波电路 因多数电源输出都是直流电压,因此,输出电路都带有整流滤波电路。
L是储能滤波电感作用:Ton周期时,限制大电流通过,防止Ton时输入电压直接加到负载R上,同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储Toff周期时,磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出 C是储能滤波电容作用:Ton周期时,把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储,Toff周期时,把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出 D是整流二极管 作用:主要功能是续流作用,故称它为续流二极管,Toff周期时,给储能滤波电感L释放能量提供电流通路致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential串联式开关电源串联式开关电源 1-2-1串联式开关电源输出电压滤波电路在控制开关关断期间Toff,储能电感L将产生反电动势,流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出,通过负载R,再经过续流二极管D的正极,然后从续流二极管D的负极流出,最后回到反电动势eL的负极对于图1-2,如果不看控制开关K和输入电压Ui,它是一个典型的反 型滤波电路,它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialBUCK Convertor 基本操作基本操作VD1Vin-Vo-VooIIoD1-DT0VLILIS000VsQ1LD1CR+-VsLD1CR+-VsLD1CR+-Q1 Turn ONQ1 Turn OFF连续模式下的连续模式下的BUCK电路各点波形电路各点波形致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialContinuous Mode VS.Discontinous Mode在大多数在大多数BUCK应用中,电感电流在整个负载工作周期中都不会降到应用中,电感电流在整个负载工作周期中都不会降到0点。
点但在一些应用中,最大负载非常轻时,设计在非连续模式可以使用更小的电感值但在一些应用中,最大负载非常轻时,设计在非连续模式可以使用更小的电感值VD1Vin-Vo-VooIIoD1-DT0VLILIS000致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential同步降压同步降压 VS.非同步降压非同步降压对于更高负载电流的应用时,同步模式具有比非同步对于更高负载电流的应用时,同步模式具有比非同步BUCK更高的效率更高的效率但同步模式需要解决一个但同步模式需要解决一个OVER-SHOOT的问题,的问题,OVER-SHOOT就是就是Q1、Q2同时导通,此时同时导通,此时Vs将产生一个很大的瞬间电流,这是不容许发生的将产生一个很大的瞬间电流,这是不容许发生的VsQ1LD1CR+-VsQ1LCR+-Q2同步降压同步降压 非同步降压非同步降压致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential降压型转换器降压型转换器DUTY的确定的确定VsQ1LD1CR+-VsQ1LCR+-Q2Vout=D*VstTsDTs0VsVsw(t)Fs=1/Ts=switching frequency0D1VoVsVo=1Tsfvo(t)dt=DVsD=VoVs致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输入电容器的设计考量输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输入电容器的设计考量输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输入电容器的设计考量输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输入电容器的设计考量输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输出电感的选择(输出电感的选择(IL)IL(+)IL(+)IL(-)IL(-)ILIL致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialIF输出电感的选择(输出电感的选择(IL)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输出电感的选择(输出电感的选择(L)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输出电容的选择(输出电容的选择(Cout)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialLCLC串聯諧振現象串聯諧振現象输出电容的选择(输出电容的选择(Cout)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialBut输出电容的选择(输出电容的选择(Cout)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential输出电容的选择(输出电容的选择(Cout)致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential 選擇電容除了容值計算之外必須考慮ESR的大小。
為了降低ESR我們可以將電容並聯使用,一方面降低ESR;一 方面可增加電容量選擇電容必須注意溫度特性以及頻率特性電容所能承受的電壓以及交流電流也必須考量输出电容的选择(输出电容的选择(Cout)SERVICEINTEGRITYINNOVATIONSHARING内置开关内置开关FET、同步降压型、同步降压型DC/DC(G5626P11U设计实例)设计实例)GMT FAE:Billy.Chen致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialG5626P11U的主要特点的主要特点 高效率 :最大94 输出电流 :最大2.0A持续工作电流 输入电压范围 :2.5V TO 5.5V 工作频率 :1MHz 无需续流二极管 低压差状态下工作 :支持100占空比 高精度基准电压 :0.8V 2%断开模式下的耗电流 :20uA 内置开关FET :P MOS:0.116;N MOS:0.093 采用电流模式,输入和输出瞬态响应快 内置过温保护 :160 封装 :SOP-8致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential外接电感的计算和选择外接电感的计算和选择 G5626P11U的设计参数:输入电压:5.0V 输出电压:1.8V/2.0A 输出纹波:20mV 根据临界电感公式计算电感的最小值:0.288uH 但为减小输出纹波和电感上的PEAK电流,实际应用通常使IL20Iout 计算可知,此时电感值为2.88uH 选择2.2uH或3.3uH都是可以的,这里我们选择电感为2.2uH 当电感为2.2uH时,计算IL为:IPeak=(Vin-Vout)*DLf=(5-1.8)*(1.8/5)2.2uH*1MHz=0.524A致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential外接电感的计算和选择外接电感的计算和选择 IPeak=(Vin-Vout)*DLf=(5-1.8)*(1.8/5)2.2uH*1MHz=0.524AILMAX=Iout+IPeak=2.524A 根据上述的计算结果,电感选择感量为2.2uH;耐电流需大于2.524A致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT Confidential外接电容的计算和选择外接电容的计算和选择 G5626P11U的设计参数:输入电压:5.0V 输出电压:1.8V/2.0A 输出纹波:20mVC=IPeak8*f*Vo=0.5248*1MHz*20mV=3.275uF 通常需要选择更大的电容以满足纹波电流的需要,和因电容ESR产生的影响 10uF或22uF是被建议的。
电容器的种类 无论是输出电容还是输入电容,使用陶瓷电容对于ESR的减小和小型化十分有利,但是电源电路是发热源,因尽量选择温度系数较好的陶瓷电容X7R和X5R是被建议的,在输入和输出部分的应用致新科技股份有限公司Global Mixed-mode Technology Inc.GMT ConfidentialPCB Layout需特别注意的地方需特别注意的地方。