BUCK-电源工作原理

2019/10/7Buck电路工作原理分析：2019/10/7.•.2019/10/7Buck电路工作原理分析：VinVoDLIoSSULILVin-Vo-VooIIoD1-DT根据L的伏秒平衡原则：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin*DL*ΔIo=Vo*(1-D)TIs根据L在1-D时间的基本方程：ΔIo=Vo*(1-D)T/L2019/10/7Buck电路工作原理分析•.2019/10/7Buck电路工作原理分析•电感电流：（开关管ON）•DeltaILon=(Vin-Vo)*Ton/L2019/10/7Buck电路工作原理分析•电感电流：（开关管OFF）•DeltaILoff=Vo*Toff/L2019/10/7Buck电路工作原理分析•电感电流：2019/10/7Buck电路工作原理分析•输出电容的电流波形：•电感电流：•输出电容电流：•要选择工作纹波电流大，ESR小的输出电容，为降低输出纹波电压，可用多个小容量的电容并联使用。2019/10/7Buck电路工作原理分析•根据负载大小变化，BUCK电源工作在CCM与DCM两种状态。•CCM:ContinuousCurrentMode•DCM:DiscontinuousCurrentMode•在CCM模式，电感电流在整个周期内都时连续的，Po=1/2*L*(IL12-IL22)•在DCM模式，一个周期内，有段时间电感电流为零。Po=1/2*L*IL2=V02/R•IL=sqrt(2*Vo2/LR)•=2019/10/7两种模式下的工作电流波形：•.2019/10/7Buck电路工作原理分析电感电流波形：CCM2019/10/7Buck电路工作原理分析电感电流波形：DCM2019/10/7Buck电路工作原理分析•由上可知，电感电流由直流（Io）和纹波电流（）两部分组成；•在CCM模式，电感电流随负载电流变化，但纹波分量并不改变，由此可以看出负载变化时占空比不变。•当负载减小到使电感电流从刚好零开始时，此为CCM与DCM转换的临界状态。•进一步减小输出负载，此时并不需要很大的电感电流维持输出功率，电感开始减小，占空比也减小，而电感也在开关管下次导通之前电流降为零。电路进入DCM模式，在此模式下，占空比随着负载变化而变化。2019/10/7Buck电路工作原理分析•模式间转换过程：•DCM模式，电感电压不为零？2019/10/7Buck电路工作原理分析•模式间转换过程：2019/10/7同步整流电路分析•非同步整流电路结构简单，容易驱动，但因作为续流的肖特基二极管管压降大，功率损耗较大，导致整个电源效率降低，所以一般用在输出电压较高，输出电流较小的场合；而对于用在低电压，大电流的场合，如CPU的供电电源则需用同步整流电路。2019/10/7两种电路比较：.2019/10/7.•同步电路应用实例：2019/10/7•同步整流电路特点：•同步整流电路用下MOS管代替开关换器的续流二极管，其导通电阻小，大大降低了整流损耗，提高了电源效率。•因下管作续流管用，所以要求其体二极管的反向恢复电荷小，栅极电阻小，用开关特性好等。•为一避免上下管同时导通，要求两管的驱动信号间须留有一死区时间，在死区时间内，电流从下管的体二极管内流过，增加了损耗。2019/10/7同步整流电路特点：在稳态时，电感电流上升和下降的变化量是相等的，但上下管导通时间不同，两管的电流有效值也不同，导通时间越长，电流有效值大，管子发热也大。根据上图计算上下管的电流有效值：Irmsup/Irmsdn=sqrt(D/(1-D))Vcore=Vin*D=D=Vcore/Vin=1.6/12=0.133代入上式：Irmsup/Irmsdn=sqrt(0.133/(1-0.133))=0.4Irmsdn=2.5Irmsup所以下管必须用电流容量更大的管或双管并联。2019/10/7.•避免双管同时导通：2019/10/7多相变换器•.2019/10/7.•多相变换器做优点：•将变换器产生的热量分布在各相电路上，而且散热面积大，不用散热片。•各相电流叠加后纹波减小，降低了输出电压纹波幅度，减少了输出电容的数量。•减小了单相大电流时多管并联的设计难度和对磁芯的要求。•降低了各相变换器的工作频率，减小元件分布参数的影响及干扰。2019/10/7CPU电源解析：.2019/10/7主变换电路：.2019/10/7电路分析：•当电路中上管导通时，源极电压等于电源输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs,IC不能直接驱动，IC内部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。2019/10/7上管驱动原理：•．2019/10/7.•MOS管的驱动电路：2019/10/7控制部分：•.2019/10/7PWM调制原理•.2019/10/7PWM调制原理CPU工作时会根据负荷的大小发出一组VID代码给电源IC，经过数/模转换后，得一模拟电压值，即为CPU所需的工作电压。电源IC以此电压为参考值，将之与CPU实际电压信号的差值进行放大，得到误差信号Vcomp,再与电源IC内部产生的锯齿波信号进行比较，产生PWM信号，控制开关管的关断，使输出电压调整到符合VID相应的电位。2019/10/7.•稳压原理：2019/10/7.•.2019/10/7.•限流检测(限流）：2019/10/7.•电流检测（通道平衡）：2019/10/7主板电源类型：•.2019/10/7.•通道电流平衡：•为使每通道的达到热平衡，需要每通道的电感电流大小一致，IC内部处理方式：采样每通道的电流，将各通道电流求和平均，与相电流相减，产生一个误差信号Ier，再和Vcomp相减，调整各相PWM宽度，达到电流平衡，各相Ier为零时，则电流达到了平衡。•电流平衡是通过检测流过下管Rds(on)来实现的。2019/10/7•此外，为提高电源工作的可靠性，还需有UVP，OVP，OCP等功能，这此功能都集成到芯片内部。2019/10/7应用实例•.2019/10/7.•输出电压Vo:•IC内部集成了一个有关0.9V基准电压的误差放大器,所以:•Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V2019/10/7.•根据以下条件计算相关参数：•Vin=5VVo=2.5V•Io=3.0AFs=300KHz•根据前面公式：Duty=Vo/Vin=2.5/5=0.5•Ton=0.5/300000=1.67uS设：ΔIo=Io*10%=3.0*30%=0.9A•L=(Vin-V0)*Ton/ΔIo•=(5-2.5)*1.67/0.9•=4.7uH2019/10/7.•Buck电路特点:•效率高,可靠性好•工作频率高,使电路中电压/电流波形的快瞬变化,产生电磁幅射干扰.•元件布局和PCB布线难度较大.•输出电压纹波比较大.•电路复杂,成本高.2019/10/7.线性电源2019/10/7线性电源分类：•.2019/10/7线性电源•线性电源特点：•电路简单，不会产生干扰，输出纹波小，•调整管工作在放大状态，功耗大，效率低，发热量大，降低了元件的可靠性，•因此线性适合用于输入/输出压差小，电流小的场合。2019/10/7线性电源：OP+MOS形式.2019/10/7线性电源•注意事项：•Vo=2.5*R585/(R584+R585)•IDIomax•PD(Vin-Vo)*Iomax•VgVo+Vgs•保证漏源极间的压差使MOS管工作在放大状态:•当输出为静态负载时，可在IC一二脚间并联一小电容，减小输出纹波；•动态负载时则不需此电容，以提高电路的动态响态速度。2019/10/7•MOS管的工作状态：vDS/ViD2019/10/7.•线性电源2019/10/7.•求复合管的输出电压：•根据上图得NPN管的Vb=R235/(r234+R235)=2.2V•则Vo=2.2V-0.7V=1.5V•分析此问题时，忽略了Ib的影响，因此在确定电路参数时，使IR235Ib,在输出负载变化引起Ib变化时,使Vb不受太大影响,保证输出电压的稳定。2019/10/7.•LDO电路:LowDropOut•右图时LDO电路原理图•使用时注意以下几点：•V0=Vref*(R1+R2)/R2•IoIspec.•Vin-Vospec.规定值•发热问题同线性电路•但效率较高2019/10/7.•.2019/10/7.•应用电路：