模块电源替代设计.ppt

模块电源的替代设计,模块电源应用 通信电源,基础设施的电源系统 分配式电源架构(POL) 特点 砖结构,不需要专门设计,应用简单 成本高 内部实质上仍是采用分立的PWM控制器和功率开关管,板级分立方案 隔离方案 反激拓朴结构PWM控制IC 正激拓朴结构 PWM控制IC 全桥拓朴结构 PWM控制IC 非隔离方案 Buck或同步Buck拓朴结构 PWM控制IC,模块电源的替代设计,模块电源的替代设计,2种方案比较,Step-Down/Buck变换器设计,Vin,L,C,R,Vo,同步Buck变换器: 1 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) 2 高效率,Step-Down/Buck变换器设计,操作控制技术模式,在重负载电流时 IAVE IRipple 电感的电流总是由正方向流动 电流不会降到0 PWM控制,恒定开关频率工作 改变占空式调节输出,由于开关频率固定，噪声频谱固定，噪声频谱相对窄，使用简单滤波技术就可以极大程度的减小峰峰电压纹波。,Vin,L,C,rc,R,Vo,PWM,d,CCM连续电流模式,Vin,L,C,rc,R,Vo,PWM,d,噪声不容易滤除,在轻负载电流时 IAVE IRipple 电感的电流(能量)完全放电到0 在电流降到0时刻，二极管阻挡电流的反向流动，电感的电压降到0 开关频率与负载电流成正比 负载进一步减小时进入变频操作,DCM不连续电流模式,在轻负载电流时三种工作模式 Forced Continuous Mode Pulse Skip Mode(定频DCM) Burst Mode,轻负载电流工作模式,Forced Continuous Mode,电感中的电流在一个开关周期一定的时间内可以反向流动 电流在功率开关管正反向流动产生功率消耗从而降低效率,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,Pulse Skipping Mode,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 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 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,提高了轻载时效率但噪声大，因为实际的开关频率不固定。,Burst Mode Operation,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 准disable控制器，直到输出电压到达设定的下限阈值电压 滞回控制 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。,三种模式中噪声最大,需要电流检测当要求的输出电流降到内部设定的阈值时。 元件关断内部的振荡器进入低电流工作状态。 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。,Burst Mode vs. Pulse Skip mode (Vout and IL),Burst mode,Pulse skip mode,提供最好的低负载电流效率 但输出电压纹波高,提供最低的输出电压电流纹波 但低负载电流效率差,Burst Mode具有最高的轻载效率，其次是 Pulse Skip Mode，Forced Continuous Mode轻载效率最低,Forced Continuous Mode具有最好轻载调整率，其次 Pulse Skip Mode， Burst Mode轻载调整率最差,效率与轻载调整率,结论,Vin,L,C,rc,R,Vo,PWM,d,d,Comparator,slope,Comp.,Vref,R1,R2,误差放大器补偿A(s),功率级：控制对输出,vc,VFB,d=kVc,电压模式控制BUCK变换器,优点: 不需要精密的电流检测电阻 缺点 环路增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈 环路增益是输出电容ESR的函数,需要仔细设计补偿环路 电流检测/限流控制缓慢不准确 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BUCK变换器,Vin,L,C,rc,Rsense,R,Vo,PWM,d,vo,d,Comparator,slope comp,vc,gm,Ro,Cth,Rth,Cthp,Compensation Network,Vref,R1,R2,C1,C2,Kref(s),igm,veain,iL feedback,ITH,EAIN,Ki,Error Op-Amp,内在固有的脉冲峰值限流 电感电流真正的软起动 精确的电流检测环 对于所有陶冶电容容易设计补偿环路C,电流模式控制BUCK变换器,优点: 精确/快速脉冲限流 真正的电感电流软起始 容易实现多个相位/多个变换器并联操作得到更大输出电流 精确/快速的电流均流 可靠性高 缺点: 需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本,电流模式控制BUCK变换器,电流式拓朴结构仅需陶瓷输出电容和IC VC管脚处简单的RC网络，就能对两个输出上的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。 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。因此，带有陶瓷电容的电流式步降开关调节器比常用的电压模式结构更简单、体积更小、价格更便宜。,电流模式和电压模式比较,L,C,rc,R,Vo,PWM,d,vo,d,Comparator,vIth,gm,Ro,Cth,Rth,Cthp,Compensation Network,Vref,R1,R2,C1,Kref(s),igm,veain,iL x Rds(on),ITH,EAIN,Error Op-Amp,谷点电流模式控制BUCK变换器,VIth,Io,iL,iL X Rds(on),VIth = iL X Rds(on),上管恒定导通时间,下管变化导通时间,下管变化导通时间调节输出电压VO,上管驱动信号,谷点电流模式控制BUCK变换器,iL,Io,谷点电流模式 负载从0A跳到5A,峰值电流模式 负载从0A跳到5A,从当前的脉冲周期响应,从下一个脉冲周期响应,快速负载响应:电感的电流波形,优化高降压比的BUCK设计,优