《buck电路原理》PPT课件.ppt

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1、1 Power Supply电源电源By Adlsong2放电放电电池电池nLi+/Li-Poly 34.2VnNiMH/Akaline 0.91.5Vn太阳能/燃烧电池 n作用 主/背份电源n类型 初级 次级n管理 保护 Gas Gauge 安全功率转换功率转换负载负载充电充电电源n适配器 5V/9V/12V/24V 精度10%开关 汽车插头nUSB 4.5V5.25V 电流100/500mAnRF IC 要求低噪声n标准IC 5V/3.3V/2.5V/1.8V Vcoren显示 LED/Flash LCD/OLED/EL Bias CCFLn马达/感性 Vibrator HDDnUSB H

2、ost PortsnOthers TunerPOWER SUPPLYPOWER SUPPLYPOWER SUPPLYPOWER SUPPLY3CHOOSE TOPOLOGYCHOOSE TOPOLOGYCHOOSE TOPOLOGYCHOOSE TOPOLOGYTopoLDOInductor BaseBuckBoostSepicCukBuckBoost4开关BuckBoostVo Vin升压 Vo Vin降压 Vinmin VoVinmax升降压 Vo IRipplen电感的电流总是由正方向流动电感的电流总是由正方向流动电流不会降到电流不会降到0nPWM控制控制,恒定开关频率工作恒定开关频率工

3、作改变占空式调节输出改变占空式调节输出由于开关频率固定，噪声频谱固由于开关频率固定，噪声频谱固定，噪声频谱相对窄，使用简单定，噪声频谱相对窄，使用简单滤波技术就可以极大程度的减小滤波技术就可以极大程度的减小峰峰电压纹波。峰峰电压纹波。BUCKBUCKBUCKBUCKCCM连续电流模式连续电流模式12噪声不容易滤除噪声不容易滤除n在轻负载电流时在轻负载电流时IAVE Io时Cout 充电方法2:积累电荷方法1:在充电时间积分 考虑ESR:BUCKBUCKBUCKBUCK 最恶劣情况:U=UO1+UO215临界工作模式临界工作模式(介于介于DCM和和CCM边界边界)DCM1 伏秒值平衡伏秒值平衡2

4、 功率平衡功率平衡BUCKBUCKBUCKBUCK16同步Buck变换器1 续流二极管换为功率MOSFET2 应用于低电压大电流 低电压低占空比,续流管导通更长时间3 高效率BUCKBUCKBUCKBUCK大的输出电流时,同步管用几个MOSFET并联以减小导通电阻同时有利于散热17功率MOSFET VDDS Vinmax，IDmax Io+I/2BUCKBUCKBUCKBUCK元件选取元件选取续流二极管或同步MOSFET VRRM 或 VDDS Vinmax ，IF(AV)或 IDmax Io(1-D)电感 L VODMIN/f I，I=0.20.4 IO，饱和电流Isat Io+I/2PCB

5、：输出地回路电流连续，输出地为干净地以D的正极为单点地18BUCK变换器轻载时操作控制技术变换器轻载时操作控制技术BUCKBUCKBUCKBUCK1 强迫强迫CCM模式模式2 跳脉冲模式跳脉冲模式(定频定频DCM到变频到变频)3 突发模式突发模式Burst Mode19n电感中的电流在一个开关周期中的某一段时间内可以反向流动n允许电感电流反向流动优点允许电感电流反向流动优点输出纹波电压和频率在整个负载变化范围内恒定，容易滤除噪声适合于通讯等要求干扰噪声低的应用0BUCKBUCKBUCKBUCKn强迫强迫CCMCCM模式模式n对于同步BUCK当电感的电流为0时,同步MOSFET仍然导通,电感电流

6、反向激磁,电感电流反向流动n环流产生功率消耗从而降低效率20n允许调节器跳掉一些不需要的脉冲，从而极大的提高轻载的效率n一个脉冲将对输出电容充电维持足够的输出能量，从而可以跳掉一个或几个脉冲。当输出电压降到调节的阈值电压以下时，一个新的脉冲开始n输出电压纹波频率与负载电压成正比，在脉冲之间只有静态电流Iq产生的功耗。只对输出电压进行处理，不需要对检测的电流进行处理n提高了轻载时效率但噪声大，因为实际的开关频率不固定0BUCKBUCKBUCKBUCKn跳脉冲模式跳脉冲模式21n缩短激活模式的时间，从而延长系统待机的时间，最低的静态电流Iq功率损耗n准disable控制器，直到输出电压到达设定的下

7、限阈值电压，滞回控制n用脉冲突发抬高输出电压直到输出电压到达设定的上限阈值电压n三种模式中噪声最大n需要电流检测当要求的输出电流降到内部设定的阈值时。需要电流检测当要求的输出电流降到内部设定的阈值时。n元件关断内部的振荡器进入低电流工作状态元件关断内部的振荡器进入低电流工作状态n保持低电流的工作，直到输出电压降到足够低要求另一次的电流突发保持低电流的工作，直到输出电压降到足够低要求另一次的电流突发BUCKBUCKBUCKBUCKn突发模式突发模式22突发模式突发模式跳脉冲模式跳脉冲模式n提供最好的低负载电流效率提供最好的低负载电流效率n但输出电压纹波高但输出电压纹波高n提供最低的输出电压电流纹

8、波提供最低的输出电压电流纹波n但低负载电流效率差但低负载电流效率差BUCKBUCKBUCKBUCK23n突发模式具有最高轻载效率，其次是跳脉冲模式，强迫突发模式具有最高轻载效率，其次是跳脉冲模式，强迫CCM模式轻载模式轻载效率最低效率最低n强迫强迫CCM模式具有最好轻载调整率，其次跳脉冲模式，模式具有最好轻载调整率，其次跳脉冲模式，突发模式轻载突发模式轻载调整率最差调整率最差效率与轻载调整率效率与轻载调整率BUCKBUCKBUCKBUCK24BUCK变换器控制方法变换器控制方法BUCKBUCKBUCKBUCK1 电压模式电压模式2 电流模式：峰值电流，平均电流，谷点电流电流模式：峰值电流，平均

9、电流，谷点电流25VinLCrcRVoPWMddComparatorslopeComp.VrefR1R2误差放大器补偿误差放大器补偿功率级：控制对输出功率级：控制对输出vcVCslopedTsTsVFBd=kVc电压模式控制电压模式控制BUCK变换器变换器BUCKBUCKBUCKBUCK26BUCKBUCKBUCKBUCKn优点优点:不需要精密的电流检测电阻供最缺点n缺点缺点 1 环路增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈 2 环路增益是输出电容ESR的函数,需要仔细设计补偿环路 3 电流检测/限流控制缓慢不准确 4 如果多个电源和多个并联相位操作,需要外部电路进行均流控制电压模式控制电压模式

10、控制BUCK变换器变换器27VinLCrcRsenseRVoPWMdvod比较器比较器slope compvcgmRoCthRthCthp补偿网络补偿网络VrefR1R2C1C2Kref(s)igmveainiL feedbackITHEAINKi误差放大器误差放大器峰值电流模式控制峰值电流模式控制BUCK变换器变换器BUCKBUCKBUCKBUCK28BUCKBUCKBUCKBUCKn优点优点:1 内在固有的精确/快速脉冲限流 2 真正的电感电流软起始 3 对于所有陶冶电容容易设计补偿环路 4 易实现多个相位/多个变换器并联操作得到更大输出电流 5 精确/快速的电流均流 6 可靠性高n缺点缺

11、点 需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本峰值电流模式控制峰值电流模式控制BUCK变换器变换器29BUCKBUCKBUCKBUCKn优点优点:准确的电流检测n缺点缺点 1 需在电流平均化处理，即电流误差放大器。2 响应慢 3 需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本平均电流模式控制平均电流模式控制BUCK变换器变换器应用应用:APFC的的CCM模式模式30LCrcRVoPWMdvodComparatorvIthgmRoCthRthCthpVrefR1R2C1Kref(s)igmveainiL x Rds(on)ITHEAIN补偿网络误差放大器谷点电流模式控制谷点电流模式控制BUCK变换器变换器B

12、UCKBUCKBUCKBUCK31VIth IoiLiL X Rds(on)VIth=iL X Rds(on)上管导通固定时间上管导通固定时间下管变化导通时间下管变化导通时间下管变化导通时间调节输出电压下管变化导通时间调节输出电压VO上管驱动信号上管驱动信号BUCKBUCKBUCKBUCK同步管开始导通同步管开始导通同步管关断同步管关断32iLIo谷点电流模式谷点电流模式负载从负载从0A跳到跳到5A峰值电流模式峰值电流模式负载从负载从0A跳到跳到5A从当前的脉冲周期响应从当前的脉冲周期响应从下一个脉冲周期响应从下一个脉冲周期响应快速负载响应快速负载响应:电感的电流波形电感的电流波形BUCKBU

13、CKBUCKBUCK33n两种控制两种控制 定频工作定频工作:时钟沿关断功率管，谷点电流处开通功率管 变频工作变频工作:开通功率管，到固定的导通时间时关断功率管，谷点电流处开通功率管 n变频工作变频工作 1 宽输入电压 2 不需要电流检测电阻，快响应 3 低占空比易检测电流 4 变频工作电感设计不易优化 5 要限制高的占空比和最大频率 6 多相工作不能准确均流，多相工作PCB设计要仔细BUCKBUCKBUCKBUCK谷点电流模式控制谷点电流模式控制BUCK变换器变换器341 电流模式仅需陶瓷输出电容和IC VC管脚处简单RC网络就能对两个以上输出负载瞬态作出稳定响应。与电压式控制器拓朴相比这种拓朴结构更省空间、省成本。更简单、体积更小、价格更便宜（尽管要电流检测电阻）。2 电压式控制器拓朴需要额外的补偿器件来优化负载瞬态响应。典型的电压式控制器需要电解电容或钽电容稳定控制回路，并维持良好的高频响应。在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，输出电压的波动也更大。BUCKBUCKBUCKBUCK电流电压模式控制电流电压模式控制BUCK变换器变换器