DC-DC电源基础知识

DC-DC电源基础知识目录1、DC-DC电源分类及工作原理2、DC-DC电源典型电路分析3、PWM控制原理4、关键器件选择5、DC-DC电源PCB布局DC-DC电源是一类直流转换为直流的电源。应用：数字电路、电子通信设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷达、消防、设备和医疗器械教学设备等诸多领域。优点：功耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。DC-DC电源分类及工作原理DC-DC电源分类及工作原理3.3V-1.5V12V-3.3V3.3V-1.1VDC-DC电源可分为三大类：•Buckconverter(降压型)•Boostconverter(升压型)•Buck-boostconverter(降压升压型)DC-DC电源分类及工作原理1.1Buckconverter（降压型）•Vo=Vin*D•D1，VoVinDC-DC电源分类及工作原理降压变换器原理图LC输出滤波续流二极管(1)开关连接•当开关处于连接状态时，电感电流为：•电感两端的电压为（Vi-Vo），此时电感由电压（Vi-Vo）励磁，电感增加的磁通为：（Vi-Vo）*Ton。•此期间，电感存储能量，同时电路对电容充电和给负载供电。LtVVdtLVIonoitLLonon)(0DC-DC电源分类及工作原理（2）开关断开•当开关处于断开状态时，电感电流为•当开关处于断开期间，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。•存储在电感和电容里的能量释放出来给负载，通过续流二极管形成回路。LtVdtLVIoffotLLoffoff0DC-DC电源分类及工作原理DC-DC电源分类及工作原理当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，由于占空比D1，所以ViVo，实现降压功能。1.2Boostconverter（升压型)DC-DC电源分类及工作原理升压变换器原理图•Vo=Vin/(1-D)•D1，VoVin升压电感滤波电容（1）开关连接•当开关处于连接状态时，通过电感的电流为：•当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。iDTiLVLDTdtVLIon01DC-DC电源分类及工作原理（2）开关断开•当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：•当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo-Vi）*Toff。•当开关处于断开期间，存储在电感的能量释放到输出端，同时电源端的电压也加到输出端，即为Vo=Vi+VLLTDVVLdtVVIoiTDoiLoff)1)(()()1(0DC-DC电源分类及工作原理DC-DC电源分类及工作原理当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo-Vi）*Toff，由于占空比D1，所以ViVo，实现升压功能。1.3Buck-boostconverter（降压升压型）Vo=Vin*D/(1-D)VoVin,当D0.5VoVin,当D0.5onLIDC-DC电源分类及工作原理升降压变换器原理图（1）开关连接•当开关处于连接状态时，通过电感的电流为：•更换当开关闭合时，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。•当开关处于连接期间，电源输出的能量存储在电感当中，同时已充电的电容给负载供电，负载电压极性与电源电压相反。LTVLdtVdIIiDTiDTLonL00DC-DC电源分类及工作原理（2）开关断开•当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：•当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*Toff。•当开关处于断开期间，存储在电感中的能量释放出来，传送给负载和电容，此时负载电压极性与电源极性相反。LTDVLdtVdIIoTDoTDLoff)1()1(0)1(0DC-DC电源分类及工作原理DC-DC电源分类及工作原理当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，（Vi）*Ton=（Vo）*Toff，根据Ton比Toff值不同，可能ViVo，也可能ViVo。典型电路分析非MOS开关管集成的RT8105TI公司TPS54627TI公司TPS54329SY8032E设计时常用的电源芯片G9661典型电路分析•以电源芯片TPS54329为例芯片内部原理框图•4.5V至18V输入,3A同步降压；•输出电压范围：0.76V-7.0V；•可调节软启动时间、过电流保护、低电压锁定保护、热关断保护；•8管脚封装，底部中间有地；软启动控制软启动时间通过分压电阻获取反馈电压欠压锁定保护确保高侧FET良好导通典型电路分析芯片运用的原理图直流增益是由输出电压决定，所需的电感值将随着输出电压的增加而增加。对于等于或高于1.8V的输出电压，通过增加一个前馈电容（C4）与R1并联可将相位提高。PWM控制原理开关电源利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压。脉冲调制方式主要分为：PFM（PulseFrequencyModulation）：脉冲频率调制【特点：对于外围电路相同，在峰值效率以前，其效率远比PWM的高，且响应速度较快；但不易实现，通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率】；PWM（PulseWidthModulation）：脉冲宽度调制【特点：在重载时效率高、噪音低且较于PFM易于实现，成为目前主流技术】；工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式，在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。PWM开关稳压器基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM控制方式：电压控制模式、电流控制模式（1）电压控制模式：利用输出电压作为反馈控制信号，占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值。（2）电流控制模式：同时采用电流和负载电压作为控制信号，占空比正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。PWM控制原理3.1典型的电压控制模式控制回路包括由R1和RB组成的电阻分压器、电压误差放大器、PWM比较器(又称PWM调制器)以及功率管驱动电路等模块。图中Vref是由带隙基准源提供的基准电压，斜坡振荡器提供斜坡输入信号Vramp，它的频率等于开关频率。uGVc（t）VrampPWM控制原理稳压过程（1）当输出电压U0增大时，取样电压UNI会同时增大，可简述为：（2）当输出电压U0减小时，取样电压UNI会同时减小，可简述为：UoUNIUc（t）UG的d（t）UoUoUNIUc（t）UG的d（t）UoPWM控制原理优点：（1）PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；（2）占空比调节不受限制；（3）对输出负载的变化有较好的响应调节；缺点：（1）对输入电压与负载电流的变化动态响应比较慢：因为系统为响应负载电流或输入电源的变化，必须“等待”负载电压的相应变化，由此引起控制信号Verr的变化后，才能实现对占空比d的调节。通常这种等待或延迟会影响系统的稳压特性。（2）输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。PWM控制原理3.2典型的电流控制模式采用电流模式控制可以消除电压控制模式的“等待”问题。峰值电流控制模式PWM开关电源系统PWM控制原理电路中的振荡器产生频率为fs的线性斜坡信号和频率fs同步送出正窄脉冲信号；此外，电路中还增设了检测电感电流信号的电流检测电阻RS、电流检测放大器和RS触发器。RS和电流检测放大器用于产生正比于电感电流瞬时值的电压Vsens，RS触发器用于实现依据电感电流瞬时值的大小控制功率管截止的时刻。由误差放大器对基准电压Vref和负载电压分量Vo(Rb/(Ri+Rb))之间的差值进行放大，得到控制信号VC。由于在一个开关周期时间内，负载电压的变化量很小，可近似认为在同一个开关周期时间内Vc值不变，以Vc表示。Vc被送到PWM比较器的反相输入端:而送至PWM比较器的同相输入端的，则是由Vsens和斜坡补偿信号Vramp相加后得到合成信号(Vsens+Vramp)。PWM控制原理PWM控制原理电流控制PWM的优点：（1）暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；（2）瞬时峰值电流限流功能；（3）输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美。缺点：（1）占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；（2）容易发生次谐波振荡。关键器件选择电感Q值：也叫电感的品质因素，是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。Q值过大，引起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。4.1输出电感·作用能够将电能转化为磁能而存储起来。由于电感电流不可突变从而维持整个开关周期电流的持续输出。较大的电感提供较低的峰值电流和较低的损耗，可以提高效率，还可以减小纹波电流和纹波电压；较小的电感通常带来较低的效率，但是由于其电流有更快速变化的能力，在负载变化时可以提供更快速的响应。•感值选择电感的大小可以根据纹波电流计算得到：（∆IL取负载电流的30%左右）•饱和电流电感饱和电流一般为电感峰值电流的1.25~1.5倍,如果小于电路的峰值电流,那么电感量就会变小，达不到滤波效果。LSINOUTOUTINIfVVVVL2/IIILOUTPEAK关键器件选择4.2分压电阻•作用输出电压通过R1和R2组成分压网络反馈给控制电路，控制PWM占空比，从而控制开关管的导通和截止，达到稳定输出电压的目的。所以分压电阻很重要的作用是设置Buck电路的输出电压值。计算公式如下：•精度选择为确保电路的高精确度，分压电阻一般选用精度为1%。)211(RRVVREFOUT关键器件选择4.3输入电容•电容特性右图为实际的电容模型。故其实际阻抗为：当频率较低时，可忽略jwL,电容呈容性；当频率较高时，可忽略1/jwC,电容呈感性；当jwL+1/jwL=0时，电容呈电阻特性，此时阻抗最小，对应的频率为自然谐振频率f0。大容值的电容通常具有较大的等效电感，因而其自谐振频率较小，所以比较适合用于滤除低频干扰噪声；小容值的电容通常等效电感也较小，因此自谐振频率较大，所以适合用于滤除高频干扰噪声。利用不同电容组合并联的形式，可以起到很好的滤波效果。CjLjRZC1关键器件选择•输入电容的作用输入电容的作用是保持输入电压稳定在一定的范围内，并且滤除输入直流电压中的交流成分。如右下图，C1电容起到储能作用，当逻辑器件状态变化时提供一个瞬态电流，减小电源瞬变及跌落，保持电源完整性。一般为铝电解电容。C2、C3是滤波电容。电容能够“通交流、阻直流”，输入信号中的交流成分可以通过电容排到大地，剩下纯净的直流成分。其中大电容滤除低频成分、小电容滤除高频成分。关键器件选择4.4输出电容•作用输出电容的作用是滤除开关纹波。C越大，ZC越小，当电容阻抗远大于负载阻抗R时，几乎所有的电感电流纹波都流经电容。电容电流波形iC(t)等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分。输出纹波电压由容量和ESR共同决定。由容值引起的纹波：由ESR引起的纹波：输出纹波：SfOUTCOUTC8IVIRVESRESRESRCOUTVVV关键器件选择•容值和ESR选择电解电容的容值较大，输出纹波主要是由ESR造成。要降低纹波，主要是减小ESR。陶瓷电容的ESR很小，要降低纹波，主要是增大电容。故输出电容一般选择具有较大容值和较小ESR的电容，为减小ESR，可采用多个瓷片电容并联的形式。IVROUTESRSfOUTOUTV8I