电源技术交流-硬件十万个为什么

1电源技术交流硬件十万个为什么线下活动01020304目录/contents2从Buck电源设计说起互联网的玩法硬件十万个什么如何运营创业感悟分享31、问题的引入1、书上的BUCK电源拓扑图与实际开发中的差异？2、基本原理可查看书籍，但是对实际的帮助不大？3、这些外围器件的功能是什么？4、外围器件如何选型，具体的参数如何确定？5、我们有电源模块了，开关电源可以向LDO一样使用，还需要了解开关电源作什么？41、问题的引入电源模块51、问题的引入电压反馈电流采样输出电容输出电感BOOT电容输入电容环路补偿上管及下管开关频率62、电压反馈——电压反馈环路Page6VrefVsense误差放大器-+PWM比较器+-锯齿信号发生器ΔVN*ΔV偏置电压控制逻辑驱动器驱动器输出电压电压分压输入电压7Page72、电压反馈——电压反馈环路锯齿波发生器基本原理PWM比较器影响脉冲宽度基本原理82、电压反馈——电压反馈环路Page8•了解内容：PWM反馈控制模式92、电压反馈——反馈电压采样点的案例CPU电压采样点1.1V、15A压差：0.07VCPU电压采样点1.17V15A压差：0.07V供电需求：1.05~1.15V改进前改进后103、电流采样•电流采样的基本原理——电阻电压∝流经电阻的电流（欧姆定律）方法三：利用输出电感的Rdc两端电压方法一：串入精密电阻方法二：利用下管的Rds（on）113、电流采样Page11•方法一、串入精密电阻•优点：测试准确，易于调试•缺点：增加能够通过大电流的高精密电阻，增加成本，增加器件，降低电源效率。uARRisen108/I2oc精123、电流采样Page12•方法二、利用下管的Rds（on）•优点：不增加额外器件、易于调试•缺点：需要在MOSFET的DS管脚两端采样电压，下管的S端连接功率，干扰较大，测试结果不准确，离散度大。uARRisenonds108/I2oc)(133、电流采样Page13•方法三、利用输出电感的Rdc两端电压•优点：测试准确，成本低•缺点：原理及调试过程复杂143、电流采样Page14•电感DCR电流传感原理分析：rcRdcLVVVVcRccRdcRdcLRdcZZZVZZZVCsRCsVRRsLRIcdcdcdcL1111sRCRLsRIVdcdcLcLdcLcdcIRIVRCRL当153、电流采样Page15•过流点设置uAIRRIcomisensedcoc108/163、电流采样•Isen的具体实现•1、Vout近似看成电压不变，看成参考电压•2、V（Isense-）=Vout+Vc•3、虚短：Vc=V（Risen）•4、I（Risen）=Vc/Risen•5、虚断：Isen=I（Risen）Page16173、电流采样Page17•案例一•电流采样的实际设计方法——对比法•利用Demo板的L/Rdc的比值，进行对比计算•案例二•过流点到底设置多少为宜？（考虑纹波电流）•(112%~120%）*IoutMAX(控制器差异)outoutcLxxdcxdemodemodcdemoIIIIRCRLRCRLmaxmax__183、电流采样193、电流采样•案例三：高温DCR变大，电流检测不准•R(T)=1.4mΩ*(1+a(T-20))•a=0.393%DCR随温度变化热敏电阻补偿203、电流采样•案例4：电流检测没走差分0.9V主要是给单板上的两个FPGA逻辑提供core电源，电流评估达到17.1A，电流比较大，因此怀疑是否因为过流导致的0.9V电压跌落，因此测试0.9V电流，测试结果显示的确是电流过流了(实际测试不到12A)，但是没有达到原理图中设置的过流点（25A）。214、Boot电容工作原理自举电容如何自举？驱动器驱动器PhaseUgateLgate上管关闭，下管打开VinVinVin-Vd1GND-Iout*Rdc（on)驱动器驱动器PhaseUgateLgate下管关闭，上管打开过程中VinVinVin-Vd1GND-Iout*Rdc（on)Vin-Rdc（on）*Iin2Vin-Vd1Vcboot22Page224、Boot电容工作原理注意LM2743的下MOS管也是使用BOOT来供电的，而其他厂家很少这样使用。优点：？缺点：？优：封装少一个管脚缺：Boot电容给两个驱动器充电驱动器供电范围需要翻一倍235、输入电容（理论模型）•1、输入电流波形Iout0T*DT*（1-D）输入电流平均：Iout*D2、输入电流纹波IrippleIout*D0T*DT*（1-D）Iout*（1-D）)1(**D1*T*D*ID*T*D1*IT*I22out2out2rippleDDIout）（）（））（（思考：多相电源时，电流纹波的有效值为多少？245、输入电容（实际模型，考虑纹波）Iout*D0T*DT*（1-D）Iout*（1-D）½*ΔIDITTDITTDTDITdttTDITdtTDItTdttIITDTDTDripple12123)()2()2/()2/()(223202202022ΔI输出纹波电流255、输入电容（实际模型，考虑纹波）DIDDIIoutripple12)1(**22265、输入电容可以查电容的数据手册查看其承受纹波电流能力。220uF的额定纹波电流为3.89A。如果电源输入电流纹波为9A，则该电容需要放置3个。275、输入电容一、输入端电容的容值如何选定？如果没有输入电感，则电容的容值并不是非常重要，可以利用供电电源稳定输入电压值。如果有输入电感，则输入端的电容容值显得重要，影响输入电压值跌落和输入电压纹波利用充放电的电量相同可得：Q=C*ΔUQ=Iout*T*DC=Iout*T*D/ΔU二、于电容的容量和其Ratedripple有线性关系，当Ratedripple满足设计要求时，其容量一般也能满足要求。输入电感的作用？隔离强干扰的电源平面285、输入电容——补充陶瓷电容电流参数图Page2829Page296、输出电感•1、直流等效电阻：影响效率•2、电感值：影响纹波电流，动态响应。电感的欧姆定律30Page306、输出电感•1、输出电感的选择是纹波电流（outputcurrentripple）和效率的折中考虑。电感的感值可以用如下公式计算：•Fsw为开关频率。△Iout为输出纹波电流。•2、由上面公式可知，电感的感值越大，输出纹波电流就越小。但带来问题是动态响应（responsetime）变慢。如果电感感值较小，如果想输出电压的纹波也小，就需要提高开关频率，这样MOS管上的开关损耗就增加，电路效率下降。•3、比较合理的选择是设置ripplecurrent△Iout=0.3Iout。如果需要较好的动态响应，例如X86处理器的Core电源等。L值可往偏小选取，一般在150nH－250nH之间。如果对动态响应无特殊要求，L值可往大选取，一般可选600nH以上，以得到较小的纹波电流。31Page317、输出电容（纹波电压）•1、输出电容是为了控制输出电压的纹波和提供负载瞬时电流的。•2、静态情况下，主要考虑电压纹波△V。影响比较大的是输出电容的ESR，ESR的最大值跟输出电压纹波和纹波电流有关系。•当电感选定以后，△Iout可以计算。可知如果需要较小的电压纹波，输出电容的ESR也要比较小。327、输出电容•输出电容应该由大容量的铝固体电容或钽电容（陶瓷电容，需要考虑不同电压下的容值有效性）和小容量的陶瓷电容搭配使用。•电容的容量要考虑能提供短暂的续流能力，保证在负载动态变化较大时能正常工作。max2212maxU)1(*)()(QCQUDTCttidttitt下管打开时，输出电容的容量影响α；上管打开时，输出电感的感值影响α；可以进一步探讨动态负载337、输出电容•在两个控制开关的占空比D分别等于0.25的情况下，电容器充、放电的电荷以及充、放电的时间和正、负电压纹波值均应该相等，并且电容器充电流的平均值也正好等于流过负载的电流Io与流过储能电感最小电流Ix的差。因此，电容器充时，电容器存储的电荷ΔQ为：347、输出电容Page34•ITRAN(MAX):MaximumLoadTransient358、器件归一化陶瓷电容体积不宜过大，最大1210（建议封装1206）输出电容，耐压10V以下，100uF；TDK陶瓷电容1210X5R10V100UF封装代替钽电容和电解电容，需要考虑降额（25V以下，稳态耐压＜80%，顺态耐压＜100%）；输入电容，耐压25V以下，10uF；TDK电容1210X7R25V10UF，需要考虑降额；36Page369、MOSFET控制时序及选型驱动器驱动器PhaseUgateLgate上管上升沿时间：Tru上管下降沿时间：Tfu上管上升沿时间：Trl上管下降沿时间：Tfl死区时间：tUGFLGR（UGATEtoLGATEDeadtime）tUGFLGR（LGATEtoUGATEDeadtime）Td2Td13710、MOSFET控制时序及选型•三个静态的电流流向驱动器驱动器PhaseUgateLgate驱动器驱动器PhaseUgateLgate驱动器驱动器UgateLgate上管打开，下管关闭上管关闭，下管打开上管和下管都关闭，死区时间38Page3810、MOSFET控制时序及选型•体二极管续流寄生电容3910、MOSFET控制时序及选型Page39LowerMOSFETPowerLossperphaseN.Low.MOSFET1pcsTotalnumberoflowerMOSFETinparallelperphaseRds,on2.2mohmRds,onPerlowerMOSFET@Temp?Vd,on0.82VoltBodydiodeforwardvoltagedropperMOSFETQrr48nCReverserecoverycha[e-mail]0.62wLowerMOSFETconductionpowerlossperphase=Irms.lower*Irms.lower*Rds,on/N.low.MOSFETPdiode.lower0.09wbodydiodeconductionloss/phase=Vd,on*Fsw*[(Iavg+ILo.ripple/2)*Td1+(Iavg-ILo.ripple/2)*Td2]/N.low.MOSFETPcap.lower0.03wOutputcapacitanceloss/phase=Coss*Vin*Vin*Fsw/2Plower0.74wTotalLowerMOSFETPowerloss/phase=Pcon+Pdiode+Pcap4010、MOSFET控制时序及选型Page40UpperMOSFETPowerLossperphaseN.up.MOSFET1pcsTotalnumberofupperMOSFETinparallelperphaseRds,on4.3mohmRds,onPerupperMOSFET@Temp?[e-mail]1.1nFOutputcapacitanceperupperMOSFETT18nsSwitchingtimeofupperMOSFETfromOFFtoONT25nsSwitchingtimeofupperMOSFETfromONtoOFFPcon.