DC-DC電源基礎(chǔ)知識(shí)

1、 目錄目錄 1 1、DC-DCDC-DC電源分類電源分類及工作及工作原理原理 2 2、DC-DCDC-DC電源電源典型電路分析典型電路分析 3 3、PWMPWM控制原理控制原理 4 4、關(guān)鍵關(guān)鍵器件選擇器件選擇 5 5、DC-DCDC-DC電源電源PCBPCB布局布局 DC-DCDC-DC電源是一類直流轉(zhuǎn)換為直流的電源。電源是一類直流轉(zhuǎn)換為直流的電源。應(yīng)用應(yīng)用： 數(shù)字電路、電子通信設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感遙測(cè)、地面雷達(dá)、消防、設(shè)備和醫(yī)療器械教學(xué)設(shè)備等諸多領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 功耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高、自身抗干 擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化。 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工

2、作及工作原原理理 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理3.3V-1.5V12V-3.3V3.3V-1.1V DC-DCDC-DC電源可分為三大類：電源可分為三大類： Buck converter(降壓型) Boost converter(升壓型) Buck-boost converter(降壓升壓型) DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理1.1 Buck converter（降壓型）（降壓型） Vo=Vin*D D1，VoVin DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 降壓變換器原理降壓變換器原理圖圖LC輸出濾波續(xù)流二極管(1)(

3、1)開(kāi)關(guān)連接開(kāi)關(guān)連接當(dāng)開(kāi)關(guān)處于連接狀態(tài)時(shí)，電感電流為： 電感兩端的電壓為（Vi-Vo），此時(shí)電感由電壓（Vi-Vo）勵(lì)磁，電感增加的磁通為：（Vi-Vo）*Ton。此期間，電感存儲(chǔ)能量，同時(shí)電路對(duì)電容充電和給負(fù)載供電。LtVVdtLVIonoitLLonon)(0 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理（2 2）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電感電流為當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)期間，由于輸出電流的連續(xù)，二極管VD變?yōu)閷?dǎo)通，電感削磁，電感減少的磁通為：（Vo）*Toff。存儲(chǔ)在電感和電容里的能量釋放出來(lái)給負(fù)載，通過(guò)續(xù)流二極管形成回路。LtVdtLVIoffotLLoffoff0

4、 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，由于占空比DVo，實(shí)現(xiàn)降壓功能。1.2 Boost converter（升壓型（升壓型) DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 升升壓變換器原理圖壓變換器原理圖 Vo=Vin/(1-D) DVin升壓電感濾波電容（1 1）開(kāi)關(guān)連接）開(kāi)關(guān)連接當(dāng)開(kāi)關(guān)處于連接狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電感的電流為：當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入電壓加在電感上，此時(shí)電感由電壓（Vi）勵(lì)磁，電感增加的磁通為：（Vi）*To

5、n。iDTiLVLDTdtVLIon01 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理（2 2）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電感的電流為：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于輸出電流的連續(xù)，二極管VD變?yōu)閷?dǎo)通，電感削磁，電感減少的磁通為：（Vo- Vi）*Toff。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)期間，存儲(chǔ)在電感的能量釋放到輸出端，同時(shí)電源端的電壓也加到輸出端，即為Vo=Vi+VLLTDVVLdtVVIoiTDoiLoff)1)()()1(0 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)，

6、（Vi）*Ton=（Vo- Vi）*Toff，由于占空比D1，所以ViVo，實(shí)現(xiàn)升壓功能。1.3 Buck-boost converter（降壓升壓型）（降壓升壓型） Vo=Vin*D/(1-D) VoVin,當(dāng)DVin,當(dāng)D0.5 onLI DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理升降壓變換器原理圖升降壓變換器原理圖（1 1）開(kāi)關(guān)連接）開(kāi)關(guān)連接當(dāng)開(kāi)關(guān)處于連接狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電感的電流為：更換當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，此時(shí)電感由電壓（Vi）勵(lì)磁，電感增加的磁通為：（Vi）*Ton。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于連接期間，電源輸出的能量存儲(chǔ)在電感當(dāng)中，同時(shí)已充電的電容給負(fù)載供電，負(fù)載電壓極性與電源電壓相反。LTV

7、LdtVdIIiDTiDTLonL00 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理（2 2）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）開(kāi)關(guān)斷開(kāi)當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電感的電流為：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感削磁，電感減少的磁通為：（Vo）*Toff。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)期間，存儲(chǔ)在電感中的能量釋放出來(lái)，傳送給負(fù)載和電容，此時(shí)負(fù)載電壓極性與電源極性相反。LTDVLdtVdIIoTDoTDLoff)1 ()1(0)1(0 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 DC-DC DC-DC電源分類電源分類及工作及工作原原理理 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)，增加的磁通等于減少的磁通，（Vi）*Ton=（V

8、o）*Toff，根據(jù)Ton比Toff值不同，可能ViVo。典型電路分析典型電路分析非MOS開(kāi)關(guān)管集成的RT8105TI公司TPS54627TI公司TPS54329SY8032E設(shè)計(jì)時(shí)常用的電源芯片G9661典型電路分析典型電路分析以電源芯片以電源芯片TPS54329TPS54329為例為例芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部原理框圖原理框圖4.5V至18V輸入, 3A同步降壓；輸出電壓范圍：0.76V-7.0V；可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)時(shí)間、過(guò)電流保護(hù)、低電壓鎖定保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)；8管腳封裝，底部中間有地；軟啟動(dòng)控制軟啟動(dòng)時(shí)間通過(guò)分壓電阻獲取反饋電壓欠壓鎖定保護(hù)確保高側(cè)FET良好導(dǎo)通典型電路分析典型電路分析芯片運(yùn)用的芯片運(yùn)用

9、的原理圖原理圖 直流增益是由輸出電壓決定，所需的電感值將隨著輸出電壓的增加而增加。對(duì)于等于或高于1.8 V的輸出電壓，通過(guò)增加一個(gè)前饋電容（C4）與R1并聯(lián)可將相位提高。 PWM PWM控制原理控制原理 開(kāi)關(guān)電源利用對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓。脈沖調(diào)制方式主要分為：PFM（Pulse Frequency Modulation）：脈沖頻率調(diào)制 【特點(diǎn)：對(duì)于外圍電路相同，在峰值效率以前，其效率遠(yuǎn)比PWM的高，且響應(yīng)速度較快；但不易實(shí)現(xiàn)，通常被應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)提高輕負(fù)載效率】；PWM（Pulse Width Modulation）：脈沖寬度調(diào)制【特點(diǎn)：在重載時(shí)效率高、噪音低且較于P

10、FM易于實(shí)現(xiàn)，成為目前主流技術(shù)】；工作在節(jié)電模式下的轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載電流條件下使用PFM模式， 在較重負(fù)載電流條件下使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)模式。 PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定。 PWM控制方式：電壓控制模式、電流控制模式（1）電壓控制模式：利用輸出電壓作為反饋控制信號(hào)，占空比正比于實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差差值。（2）電流控制模式：同時(shí)采用電流和負(fù)載電壓作為控制信號(hào)，占空比正比于額定輸出電壓與變換器

11、控制電流函數(shù)之間的誤差差值。 PWM PWM控制原理控制原理3.1 3.1 典型的電壓控制模式典型的電壓控制模式 控制回路包括由R1和RB組成的電阻分壓器、電壓誤差放大器、PWM比較器(又稱 PWM調(diào)制器)以及功率管驅(qū)動(dòng)電路等模塊。圖中Vref是由帶隙基準(zhǔn)源提供的基準(zhǔn)電 壓，斜坡振蕩器提供斜坡輸入信號(hào)Vramp，它的頻率等于開(kāi)關(guān)頻率。uGVc（t）Vramp PWM PWM控制原理控制原理 穩(wěn)壓過(guò)程（1）當(dāng)輸出電壓U0增大時(shí)，取樣電壓UNI會(huì)同時(shí)增大，可簡(jiǎn)述為：（2）當(dāng)輸出電壓U0減小時(shí)，取樣電壓UNI會(huì)同時(shí)減小，可簡(jiǎn)述為： Uo UNI Uc（t） UG的 d（t） Uo Uo UNI Uc

12、（t） UG的 d（t） Uo PWM PWM控制原理控制原理優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲裕量； （2）占空比調(diào)節(jié)不受限制； （3）對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）對(duì)輸入電壓與負(fù)載電流的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢：因?yàn)橄到y(tǒng)為響應(yīng)負(fù)載電流或輸入電源的變化，必須“等待”負(fù)載電壓的相應(yīng)變化，由此引起控制信號(hào)Verr的變化后，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比d的調(diào)節(jié)。通常這種等待或延遲會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)壓特性。 （2）輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放大器時(shí)，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。 PWM PWM控制原理控制原理3.2 3.2

13、典型的電典型的電流流控制模式控制模式采用電流模式控制可以消除電壓控制模式的“等待”問(wèn)題。峰值電流控制模式PWM開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng) PWM PWM控制原理控制原理 電路中的振蕩器產(chǎn)生頻率為fs的線性斜坡信號(hào)和頻率fs同步送出正窄脈沖信號(hào)；此外，電路中還增設(shè)了檢測(cè)電感電流信號(hào)的電流檢測(cè)電阻RS、電流檢測(cè)放大器和RS觸發(fā)器。RS和電流檢測(cè)放大器用于產(chǎn)生正比于電感電流瞬時(shí)值的電壓Vsens，RS觸發(fā)器用于實(shí)現(xiàn)依據(jù)電感電流瞬時(shí)值的大小控制功率管截止的時(shí)刻。由誤差放大器對(duì)基準(zhǔn)電壓Vref和負(fù)載電壓分量Vo(Rb/(Ri+Rb)之間的差值進(jìn)行放大，得到控制信號(hào)VC。由于在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電壓的變化量很小，

14、可近似認(rèn)為在同一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間內(nèi)Vc值不變，以Vc表示。Vc被送到PWM比較器的反相輸入端:而送至PWM比較器的同相輸入端的，則是由Vsens和斜坡補(bǔ)償信號(hào)Vramp相加后得到合成信號(hào)(Vsens+Vramp)。 PWM PWM控制原理控制原理 PWM PWM控制原理控制原理電流控制電流控制PWMPWM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：（1）暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快；（2）瞬時(shí)峰值電流限流功能；（3）輸出電壓的調(diào)整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相媲美。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：（1）占空比大于50%的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；（2）容易發(fā)生次諧波振蕩。關(guān)鍵器

15、件選擇關(guān)鍵器件選擇 電感Q值：也叫電感的品質(zhì)因素，是衡量電感器件的主要參數(shù)。是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。Q值過(guò)大，引起電感燒毀，電容擊穿，電路振蕩。4.1 4.1 輸出電感輸出電感 作用作用 能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)。由于電感電流不可突變從而維持整個(gè)開(kāi)關(guān)周期電流的持續(xù)輸出。 較大的電感提供較低的峰值電流和較低的損耗，可以提高效率，還可以減 小紋波電流和紋波電壓；較小的電感通常帶來(lái)較低的效率，但是由于其電流有更快速變化的能力，在負(fù)載變化時(shí)可以提供更快速的響應(yīng)。感值選擇感值選擇電感的大小可以根據(jù)紋波電流計(jì)算

16、得到： （IL取負(fù)載電流的30%左右）飽和電流飽和電流 電感飽和電流一般為電感峰值電流的1.251.5倍,如果小于電路的峰值電流,那么電感量就會(huì)變小，達(dá)不到濾波效果。 LSINOUTOUTINIfVVVVL2/IIILOUTPEAK關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇4.2 4.2 分壓電阻分壓電阻作用作用輸出電壓通過(guò)R1和R2組成分壓網(wǎng)絡(luò)反饋給控制電路，控制PWM占空比，從而控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。所以分壓電阻很重要的作用是設(shè)置Buck電路的輸出電壓值。計(jì)算公式如下：精度選擇精度選擇為確保電路的高精確度，分壓電阻一般選用精度為1%。)211 (RRVVREFOUT關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵

17、器件選擇4.3 4.3 輸入電容輸入電容電容特性電容特性右圖為實(shí)際的電容模型。故其實(shí)際阻抗為：當(dāng)頻率較低時(shí)，可忽略jwL,電容呈容性；當(dāng)頻率較高時(shí)，可忽略1/jwC,電容呈感性；當(dāng)jwL+1/jwL=0時(shí)，電容呈電阻特性，此時(shí)阻抗最小，對(duì)應(yīng)的頻率為自然諧振頻率f0。大容值的電容通常具有較大的等效電感，因而其自諧振頻率較小，所以比較適合用于濾除低頻干擾噪聲；小容值的電容通常等效電感也較小，因此自諧振頻率較大，所以適合用于濾除高頻干擾噪聲。利用不同電容組合并聯(lián)的形式，可以起到很好的濾波效果。CjLjRZC1關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇輸入電容的作用輸入電容的作用輸入電容的作用是保持輸入電壓穩(wěn)定在一定的

18、范圍內(nèi)，并且濾除輸入直流電壓中的交流成分。如右下圖，C1電容起到儲(chǔ)能作用，當(dāng)邏輯器件狀態(tài)變化時(shí)提供一個(gè)瞬態(tài)電流，減小電源瞬變及跌落，保持電源完整性。一般為鋁電解電容。C2、C3是濾波電容。電容能夠“通交流、阻直流”，輸入信號(hào)中的交流成分可以通過(guò)電容排到大地，剩下純凈的直流成分。其中大電容濾除低頻成分、小電容濾除高頻成分。關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇4.4 4.4 輸出電容輸出電容作用作用輸出電容的作用是濾除開(kāi)關(guān)紋波。C越大，ZC 越小，當(dāng)電容阻抗遠(yuǎn)大于負(fù)載阻抗R時(shí)，幾乎所有的電感電流紋波都流經(jīng)電容。電容電流波形iC(t)等于電感電流波形去掉直流成分后的交流成分。輸出紋波電壓由容量和ESR共同決定。由容值引起的紋波：由ESR引起的紋波：輸出紋波：SfOUTCOUTC8IVIRVESRESRESRCOUTVVV關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇容值和容值和ESRESR選擇選擇電解電容的容值較大，輸出紋波主要是由ESR造成。要降低紋波，主要是減小ESR。陶瓷電容的ESR很小，要降低紋波，主要是增大電容。故輸出電容一般選擇具有較大容值和較小ESR的電容，為減小ESR，可采用多個(gè)瓷片電容并聯(lián)的形式。IVROUTESRSfOUTOUTV8IC關(guān)鍵器件選擇關(guān)鍵器件選擇DC-DCDC-DC電源電源PCBPCB布局布局 輸入開(kāi)關(guān)電流環(huán)路盡可能