DC DC 转换器简介.ppt

DC/DCConverter簡介,內容,(一)DCDC電壓轉換器基本認識(二)DCDC電壓轉換器架構原理(三)DCDC電壓轉換器的轉換效率(四)電感選型,DCDC轉換器基本認識,數位產品為何需要電壓轉換,數位IC工作電壓日趨變低,CMOS結構示意圖,先進半導體製程!由於線距變小時所以耐壓變低!工作電壓變低.數位電子會使用不同的半導體製程有不同電壓需求,新的應用會有不同的製程需求,也導致不同的工作電壓需求,數位電子產品電源供應器,電源供應器僅有一種或數種電壓,因為數位電子系統電源供應的電壓種類遠少於主動元件(IC)需求,開關電壓轉換器DCDCConverterV.S.線性電壓轉換器DCDCConverter,開關變壓器DCDCConverter,開關式電壓轉換器(SwitchingTypeDCDCConverter),絕緣式(Isolated)v.s.非絕緣式(NonIsolated),1、隔离电源：电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路。2、非隔离电源：输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的。,隔离与非隔离电源的应用场合:1、系统前级的电源，为提高抗干扰性能，保证可靠性，一般用隔离电源。2、电路板内的IC或部分电路供电，从性价比和体积出发，优先选用非隔离的方案。3、对安全有要求的场合，如需接市电的AC-DC，或医疗用的电源，为保证人身的安全，必须用隔离电源，有些场合还必须用加强隔离的电源。4、对于远程工业通信的供电，为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。5、对于采用电池供电，对续航力要求严苛的场合，采用非隔离供电。,同步v.s.非同步(NonIsolated),同步v.s.非同步(NonIsolated),DC/DC轉換器的非絕緣型降壓開關穩壓器有前項所説明的非同步整流（二極體）式和同步整流式。非同步整流式是較早被使用的方式，就開關穩壓器而言電路簡單但效率卻超過80左右。之後，筆記型PC等電池驅動且需要較大功率的應用開始要求更高效率，於是可獲得高效率的同步整流式開關穩壓器用IC被陸續開發，控制或電路極為複雜的同步整流式變得容易設計，逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。,DC/DCConverter切換模式,PWM,PWM(PulseWidthModulation)v.s.PFM(PulseFrequencyModulation),PWM控制（脈衝振幅調變）PWM是最一般性的電壓控制方法。在一定周期下，將開關設為ON，從輸入取出符合輸出所需功率之部分。因此，ON和OFF之比率、佔空比（dutycycle）會隨必要之輸出功率而變化。由於頻率一定，故有可預測即將產生之開關雜訊、濾波處理容易等優點。缺點方面，由於頻率一定，重負載時和輕負載時之開關次數皆相同，自我消耗電流不變，故輕負載時其開關損失受到控制，效率降低。,頻率一定且依佔空比調整輸出電壓由於頻率一定，故容易過滤雜訊因頻率一定，故輕負載時開關損失導致之效率劣化顯著,PFM控制（脈衝頻率調變）PFM有固定ON時間型和固定OFF時間型。以固定ON時間型為例（參照下圖），ON時間一定而OFF時間變化。換言之，在下一個ON來臨前的時間會變化。當負載變大時，將會增加時間内的ON次數來迎和負載。也就是重負載時頻率會變高，輕負載時頻率會變低。優點在於輕負載時由於不太需要追加功率，開關頻率變低，開關次數減少，開關損失減少，故輕負載時亦可維持高效率。缺點在於因頻率會變化，開關相關雜訊不穩定且難以濾波。總之，難以消除雜訊。此外，當頻率衝破20kHz時則進入人耳的聽覺範圍，可能會開始產生鳴音，音響機器的話則有可能會影響S/N。因此，可以說PWM比較容易操作。,將ON（或OFF）時間設為一定，調整OFF（或ON）時間輕負載時由於會降頻率運作，故開關損失會減少而維持效率由於頻率不穩定，故雜訊濾波困難而有進入聽覺範圍的可能性該利用哪一方必須在理解各特性後進行取捨，不過有些IC為了能夠利用雙方的優點，於穩定運作時採PWM運作，於輕負載時開關成PFM來維持效率。,PWM(PulseWidthModulation)v.s.PFM(PulseFrequencyModulation),開關控制模式技術特點對比,何謂SinglePhase與MultiPhaseDCDC,Multi-Phase,Single-Phase,DCDC轉換器架構原理,降壓(Set-Down),非隔離切換式直流電源轉換器架構,昇壓(Set-Up),昇壓-降壓,Buck,Boost,Buck-Boost,SEPIC,ZETA,CuK,反向輸出,電感基本觀念,(FaradaysLaw),電容基本觀念,降壓型轉換器(BuckConverter),降壓型轉換器-開關S導通,降壓型轉換器-開關S不導通,電壓及電流波型,伏秒特性,升壓型轉換器(BoostConverter),升壓型轉換器-開關S導通,升壓型轉換器-開關S不導通,伏秒特性,升-降壓型轉換器(Buck-BoostConverter),升-降壓型轉換器-開關S導通,升-降壓型轉換器-開關S不導通,伏秒特性,功率電感在切換式電源轉換器的電流行為,SynchronousBuckConverter,BuckConverterDesignExample,Thefilterinductorvalueanditspeakcurrentaredeterminedbasedonthespecifiedmaximuminductorcurrentripple.,電感經過的電流有直流項(Io輸出-Buck,Ii輸入電流)與交流項(I),就切換式電源供應器的理論中!當感值越低!則通過電感電流越大!則溫度越高,對於Q1之ON/OFF，想必大家都明白汲極電流ID、電感電流IL、以及輸出電容電流ICO、輸入電容電流ICIN如何流動。如果這個可以清楚想像的話，便能夠理解哪個零件做什麼樣的工作，並且明白該零件應具備哪種特性。,上述Fig.1和Fig.2的總整理，表示主要節點之電壓或電流波形,切換式電源轉換器功率電感的電流行為,功率電感在切換式電源轉換器的作用-Boost,BoostDCDC架構,電感電流與電壓波形,工作原理,a.Q1ON:電感兩邊電壓為B1(Vin)-Q1(on),電流會緩慢增加,將能量存在電感bQ1OFF:電感兩邊電壓為B1(Vin)-D1(on)-Vo,電流與能量由電感釋出電感波形為DC+三角波,電感電流的模式,一般在一個DCDC的線路上輸出電流從空載到滿載電流模式會從非連續模式邊界模式連續模式，但這也要看Rhowever,thiswilltypicallyresultinaninductorsizethatisphysicallytoobigforpracticaluse.Consequently,“r”isusuallysetbetween0.2and0.5forbuckconverters,MaximumCurrentFlowthroughtheCoil,Currentflowingthroughthecoilisacombinationofoutputcurrentandripple-current.,InductorCalculationofBuckConverter(進階)(Continued),ExampleforInductorselection:,InductorCalculationofBuckConverter(進階)(Continued),Determinetheoperatingconditionsofthebuckconverter:-VIN=12VInputVoltage-VOUT=3.3VOutputVoltage-IOUT=2AOutputCurrent-r=0.3OutputCurrentRippleRatio-VSW=0.30ONStateVoltageDropofSwitchingElementQ1-VD=0.26*ForwardVoltageDropofFreeWheelDiode-fSW=380kHzSwitchingFrequency,10Hischosenasthecloseststandardinductancevalue.,PowerChokeSelectionforSwitchDC/DCConverter,InBulkCircuit(VinVout):,InBoostCircuit(Vin24A,Example:,Frequency=1MHz,Vin=25V,Vout=50VDuty=(Vout-Vin)/Vout=(50-25)/50)=0.5Iout(max)=0.6A,I=0.4*Iout(max)*(4)=0.48A,Lmin=(25/(0.48A*1MHz)*0.5=27uH1.08AIsat1.08A,真實應用電感的感值會影響到流過的電流!進而影響到Loss,ExampleforInductorselection:abuckregulatorwillbeusedtoconverta12Vinputtoa5Voutputwithaloadcurrentof4.5A.Theoperatingfrequencywaschosentobe600kHztoreducethesizeofthefiltercomponents,whilestillmaintaininggoodefficiency.Theconverterisdesignedtohave20%ripplecurrent,soarelativelylowESRoutputfiltercapacitorwillbeused,Firstcalculatetheneededinductancevalue:V=L*dI/dtwhere:V=Vin-Vout(voltageacrosstheinductor)dT=Ontimeofdrive=Vout/Vin/frequencyI=Chosenabovetobe20%Calculatetherequiredinductance:L=V*dt/I=(12-5)*(12/5/600k)/(0.2*4.5)L=4.8HChoose4.7H,theneareststandardvalueRecalculateripplecurrentat23%using4.7H,Seconddeterminepeaktopeakfluxdensity,Bp-p:Bp-p=K*L*Iwhere:K:K-factorfromtheadjacenttableL:InductanceHI:Peaktopeakripplecurrent(Amps)Bp-p=105*4.7*0.23*4.5=510Gauss,InductorCalculationofBuckConverter(Continued),Nextdeterminethetotallossesintheinductor:Totallosses=DCloss+AClossDCloss=I2*DCR=4.52*0.040=0.81W(DCRfromFP3datasheet)AClossfromtableatBp-pof510=0.15WTotalLoss=DCloss+ACloss=0.96W,Finallydeterminethetemperaturerise.Totalloss=0.96W,usingthetable,Temperatureriseis80CAssuminganambienttemperatureof70C,ThetemperatureoftheinductorisT=70+75=150C,InductorCalculationofBuckConverter(Continued),CCM(ContinuousConductionMode)v.s.DCM(ContinuousConductionMode),CCM/DCMboundarycondition(CCM轉換成DCM):(1)Iloadr/2xIo(2)L(1D)R/2f=(1D)Vo/Io,一般在一個DCDC的線路上輸出電流從空載到滿載電流模式會從非連續模式邊界模式連續模式，但這也要看R&D的設計，因為“Mode”參數的設定會影響電流模式跟電感的感值,重載(連續模式),中載(邊界模式),輕載(非連續模式),PWMIC訊號,轉換器占空比(DutyCycle)與輸入,輸出之關係,D:占空比(DutyCycle)fs:切換頻率Vin:輸入電壓Vout:輸出電壓Iout:輸出電流R:負載電阻(Vout/Iout),InductorSelectionforBuckConverters,youwillneedtodefineorcalculatethefollowingparameters:MaximuminputvoltageOutputvoltageSwitchingfrequencyMaximumripplecurrentDutycycle,Fortheexampleshowninfigureletsassumeaswitchingfrequencyof250kHz,inputvoltagerangeof12V10%andamaxripplecurrentof220mA.Foraninputvoltageof13.2Vthedutycyclewillbe:D=Vo/Vi=5/13.2=0.379WhereVoistheoutputvoltageandViistheinputvoltage.Voltageacrosstheinductance:V1=Vi-Vo=8.2VwhentheswitchisonV1=-Vo=-5VwhentheswitchisoffRequireinductance:L=V1.dt/di=(8.2x0.379/250 x103)/0.22L=56.5H,InductorSelectionforBoostConverters,Takingmaximuminputvoltageas5.5V,switchingfrequencyas100kHzandmaximumripplecurrentas0.1A.Dutycycle:D=1(Vi/Vo)=1(5.5/12)=0.542InductorVoltage:V1=Vi=5.5VwhentheswitchisonV1=VoVi=6.5Vwhentheswitchisoffinductance:L=V1.dt/di=(5.5x0.542/100 x103)/0.1L=298H,InductorSelectionforBuck-BoostConverters(includingCuk&SEPIC&ZETA),Forthisexampleweshalluseaswitchingfrequencyof200kHzandamaximumripplecurrentof200mA.Dutycycle:D=Vo/(Vo+Vi)=12/(12+18)=0.4Inductorvoltages:V1=Vi=18VwhentheswitchisonV1=Vo=12Vwhentheswitchisoffinductance:L=V1.dt/di=(18x0.4/200 x103)/0.2L=180H,SEPICConverterCircuit,CuKConverterCircuit,ZETAConverterCircuit,電感選型-降壓(Buck),電感選型-昇壓(Boost),電感選型,3.計算結果參數說明：上面的參數只要看標示綠色欄位的數值就可以選出適用的電感在選用電感時電感SPEC所標示的數值需要大於所計算出來的數值,電感選型：A.電感特性的選擇：在進行電感選型時需要下表的參數如上面”輸入參數說明”所述有些R&D不知道”Efficiency”及“Mode”參數該如何設定，這樣就需要詢問R&D預計使用的感值這樣才能做計算