DC-DC变换器工程实例简介

1、刘德尚 2013年12月26日 1 一、基础知识回顾 二、工程实例介绍 2 3 CukBuck-Boost BoostBuck 4 PWM PFM PSM Hybrid 2、DC-DC变换器的调制模式 5 电压电压模式模式控制控制 峰值电流峰值电流模式模式控制控制 平均平均电流模式电流模式控制控制 滞滞环电流模式环电流模式控制控制 相加相加模式模式控制控制 电荷电荷模式模式控制控制 迟滞模式控制迟滞模式控制 3、DC-DC变换器的控制模式 6 电压模式控制 优势 具有较好的抗噪声裕量 占空比调节不受限制 多路输出电源之间交互 调节效应较好 单环设计、调试比较容易 负载调整率较好 劣势 线性调整

2、率差 闭环增益随输入电压而变化 使补偿网络设计更为复杂 需要将主极点低频衰减，或 者增加一个零点进行补偿 在传感及控制磁芯饱和故障 状态方面较为麻烦复杂 电压模式控制BUCK变换器系统 7 峰值电流模式控制 优势 输入电压的变化和输出负载 的变化的瞬态响应均快 控制环易于设计 简单自动的磁通平衡功能 逐个周期限流功能 自动均流并联功能 劣势 占空比大于50%的开环不稳 定 容易发生次谐波振荡 对噪声敏感，抗噪声性差 电路拓扑受限制 多路输出电源的交互调节 性能不好 峰值电流模式控制BUCK变换器系统 8 平均电流模式控制 优势 平均电感电流能够高度精确地 跟踪电流编程信号 不需要斜坡补偿 调试

3、好的电路抗噪声性能优越 适合于任何电路拓扑对输入或 输出电流的控制 易于实现均流 劣势 电流放大器在开关频率处的 增益有最大限制 双闭环放大器带宽、增益等 配合参数设计调试复杂 平均电流模式控制BUCK变换器系统 9 滞环电流模式控制 优势 不需要斜波补偿 稳定性好，不容易因噪声 发生不稳定振荡 劣势 需要对电感电流全周期的检 测和控制 变频控制容易产生变频噪声 滞环电流模式控制BUCK变换器系统 10 相加模式控制 优势 属于单环控制 动态响应优于普通电压模式 在较少的输出滤波电容下可实 现过冲电压小 电源并联时易于均流控制 劣势 需要精心处理电流、电压 取样时的高频噪声抑制 相加模式控制B

4、UCK变换器系统 VEAOUT OSC Driver VREF COM P VEA VFB Logic circuit PSM OS VINLO CO 输 出 电 感 电 流 检 测 CA Cf RL VOUT k Lf 11 电荷模式控制 优势 反应速度快 不需要额外的补偿电路 适用于电阻等线性负载和恒定 功率等非线性负载 劣势 输出电压跟随设定值阶跃 变化的响应速度较慢 应用领域尚需要开拓 电荷模式控制BUCK变换器系统 12 迟滞模式控制 优势 无需补偿电路 瞬态响应速度快 控制电路设计简单 劣势 线性调整率差 需要高速比较器 存在双脉冲和次谐波振荡 迟滞模式控制BUCK变换器系统 13

5、 PS：又称Bang-Bang模式、基于纹波的控制模式， 下面讲到的COT只是其中一种变形。 3、控制模式比较与总结 控制模式控制模式环路环路反馈信号反馈信号稳定性稳定性响应速度响应速度 电压模式电压模式电压单环输出电压需低频零点补偿线性调整率差 峰值电流模式峰值电流模式电流环，电压环 开关管峰值电 流，输出电压 斜坡补偿，电 压快环补偿 线性、负载 调整率均较好 平均电流模式平均电流模式电流环，电压环 电感电流 输出电压 内含斜坡补 偿，双环补偿 线性调整率差 滞环电流模式滞环电流模式电流环，电压环 电感电流 输出电压 滞环带内含斜坡 补偿，稳定性好 跟踪速度快 相加模式相加模式电荷单环 电

6、感平均电流 输出电压 电压放大器 补偿电容较小 优于电压模式 电荷模式电荷模式电荷单环开关管电流无需补偿响应速度快 迟滞模式迟滞模式电压环输出电压 无需补偿， 次谐波振荡 线性调整率差， 负载调整率好14 15 系统功能、拓扑框架、应用背景？ 环路控制模式、调制模式？ 稳定性问题、补偿方法？ 常见功能模块、具体实现形式？ 16 17 18 电压模环路控制：环路推导、内部集成补偿技术 宽输入范围：耐压设计、对环路的影响 常见功能模块的实现方式： 基准、LDO、EA(误差放大器)、OSC(振荡器)、 Current Limit(电流限电路)、Driver(驱动) 19 电压模式BUCK LCsRL

7、CRs CsR V V sA V V sH LC C P IN OUT REF 2 )/(1 1 )()( )()( 21 2 sA V V sZGm RR R V V OUT REF FF F OUT C 其中： 环路增益是反馈系数的函数，同时随着VOUT的 增加而变小，同时受到A(s)的影响 )()(sZGmsA )( )( 1 2 sZ sZ V V OUT C 11 )( F RsZ 其中： 2 21 )( F FF REFOUT R RR VDCV 环路增益不受运放开环增益及反馈系数的影响 20 l调制器级和功率级的增益推导 LCsRLCRs CsR V V V V LC C P I

8、N C OUT 2 )/(1 1 )(1 )1( CL CL RRsC sCRR 经计算可知方框内的等效阻抗为： IN LC C OUT V LCsRLCRs CsR V 2 )/(1 1 因此： )(sA V V V V OUT REF OUT C u 因此，转换器的增益为： n因此该增益为： l反馈、误差放大及补偿级增益为： LCsRLCRs CsR V V sA V V sH LC C P IN OUT REF 2 )/(1 1 )()( 21 传输函数 请注意，环路增益直接作为VIN的函数来增加，这样中频增益应该根据在最大 输入电压下的工作来确定。在实际系统中，A(s)具有频率很低的极

9、点和位 于LC双极点之前的零点。这使得稳压器的DC环路增益远高于中频增益。 不带环路补偿的电压模式降压稳压器的典型频率响应 LCsRLCRs CsR V V sA V V sH LC C P IN OUT REF 2 )/(1 1 )()( 22 零点远低于极点频率， 在此频率段内呈现电感特性！ 极点远低于零点频率， 在此频率段内呈现电容特性！ LM2677 23 24 BD9261等效原理图 25 整体电路架构图 电流模环路控制：环路推导、斜坡补偿 常见功能模块的实现方式： 基准、LDO、EA(误差放大器)、OSC(振荡器)、 RAMP(斜坡补偿电路)、恒流源电路 26 电流模式BUCK )

10、( 1 1 )()(sFh s CsR K R R sA V V sH P C i L OUT REF 其中： 2 2 1 1 )( )5 . 0(1 1 N PN C L s Q s sFh Dm L TR K 27 D0.5时，电感电流的 小扰动将会逐渐放大， 导致次谐波震荡现象。 下斜坡补偿：在控制电压Vc 上减去一个斜率为Se的电压 上斜坡补偿：在检测的电感 电流信号上叠加一个斜率为Se 的电压，不稳定现象将得到改 善。 28 对于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减越快，但补偿 斜率过大，会造成过补偿。 过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的 影响，从而降低系统的带载能力；另一方面，过

11、补 偿会影响系统瞬态响应特性。通常选择斜坡补偿斜 率需根据需要折中考虑。 工程应用上，通常折中将斜坡补偿信号的斜率设置 为 75%的采样电感电流下降或上升斜率。 BD9261 29 30 31 32 COT控制模式：工作原理、优缺点、稳定条件 常见功能模块的实现方式： 基准、LDO、环路比较器、On-Timer(定时器)、 电流限电路、过零检测电路、驱动。 33 34 Ripple-based Control Drawback: Inconstant Frequency 35 Constant On Time Control CCM DCM ACOT 36 NCT3283 37 在电容C1上面

12、产生的纹波通过 隔直电容Cdc耦合到 VFB端。 产生的额外纹波幅值为： 为了使系统能够稳定工作要求 产生的额外纹波幅值满足以下 条件： 环路稳定问题 上电、软启动 耐压、耐流 能耗分析 异常处理机制 Trimming（修调设计） EMI（电磁兼容问题） Layout（版图布局） 电源完整性问题 38 39 导通损耗导通损耗：主要 由以下三个部分产生： 功率开关管、功率整 流二极管、磁性元件 动态损耗（包括驱动态损耗（包括驱 动损耗和交越损耗）动损耗和交越损耗） 静态损耗静态损耗 1 2 IDbSCrossover PVIf 2 1 2 DriverGGS PVCf QINQ PVI 40 项目名称项目名称适用拓扑类型适用拓扑类型控制模式控制模式 LM3520Boost for LED Dr