BUCK-电源工作原理.ppt

2020 3 23 Buck电路工作原理分析 2020 3 23 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 Vin Vo D L Io S S UL IL Vin Vo Vo Io D 1 D T 根据L的伏秒平衡原则 Vin Vo DT Vo 1 D T Vo Vin D L Io Vo 1 D T Is 根据L在1 D时间的基本方程 Io Vo 1 D T L 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 电感电流 开关管ON DeltaILon Vin Vo Ton L 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 电感电流 开关管OFF DeltaILoff Vo Toff L 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 电感电流 2020 3 23 Buck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 2020 3 23 Buck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 ContinuousCurrentModeDCM 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 RIL sqrt 2 Vo2 LR 2020 3 23 两种模式下的工作电流波形 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 电感电流波形 CCM 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 电感电流波形 DCM 2020 3 23 Buck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 2020 3 23 Buck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 2020 3 23 Buck电路工作原理分析 模式间转换过程 2020 3 23 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 2020 3 23 两种电路比较 2020 3 23 同步电路应用实例 2020 3 23 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 2020 3 23 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 2020 3 23 避免双管同时导通 2020 3 23 多相变换器 2020 3 23 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 2020 3 23 CPU电源解析 2020 3 23 主变换电路 2020 3 23 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 2020 3 23 上管驱动原理 2020 3 23 MOS管的驱动电路 2020 3 23 控制部分 2020 3 23 PWM调制原理 2020 3 23 PWM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 2020 3 23 稳压原理 2020 3 23 2020 3 23 限流检测 限流 2020 3 23 电流检测 通道平衡 2020 3 23 主板电源类型 2020 3 23 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 2020 3 23 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 2020 3 23 应用实例 2020 3 23 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 5V 2020 3 23 根据以下条件计算相关参数 Vin 5VVo 2 5VIo 3 0AFs 300KHz根据前面公式 Duty Vo Vin 2 5 5 0 5Ton 0 5 300000 1 67uS设 Io Io 10 3 0 30 0 9AL Vin V0 Ton Io 5 2 5 1 67 0 9 4 7uH 2020 3 23 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 2020 3 23 线性电源 2020 3 23 线性电源分类 2020 3 23 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 2020 3 23 线性电源 OP MOS形式 2020 3 23 线性电源 注意事项 Vo 2 5 R585 R584 R585 ID IomaxPD Vin Vo IomaxVg Vo 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 2020 3 23 MOS管的工作状态 2020 3 23 线性电源 2020 3 23 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