模块电源的替代设计

1、1模块电源的替代设计模块电源的替代设计模块电源应用模块电源应用n通信电源,基础设施的电源系统n分配式电源架构(POL)n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2n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3模块电源的替代设计模块电源的替代设计n2种方案比较 通用模块电源通用模块电源板级分立方案板级分立方案灵活性灵活性一般一般很强很强,适用各种且方案可适用各种且方案可移植移植尺

2、寸尺寸大大较小较小元件数量元件数量很少很少,一个一个,易管理易管理多多应用及设计应用及设计应用简单应用简单,不需要工程设计不需要工程设计较复杂较复杂,需要专门设计需要专门设计对设计人员要求对设计人员要求低低,不需要有电源设计能力不需要有电源设计能力较高较高,需要一定电源设计需要一定电源设计能力能力可靠性可靠性差差一般一般设计周期设计周期短短较长较长成本成本高高很低很低4Step-Down/Buck变换器设计变换器设计VinLCRVo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5Step-Down/Buck变换器设计变换器设计操作控制技术模式操作控制技

3、术模式6n在重负载电流时在重负载电流时IAVE IRipplen电感的电流总是由正方向流动电感的电流总是由正方向流动电流不会降到电流不会降到0nPWM控制控制,恒定开关频率工作恒定开关频率工作改变占空式调节输出改变占空式调节输出由于开关频率固定，噪声频谱固由于开关频率固定，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滤波技术就可以极大程度的减小峰峰电压纹波。峰峰电压纹波。VinLCrcRVoPWMdCCM连续电流模式连续电流模式7VinLCrcRVoPWMd噪声不容易滤除噪声不容易滤除n在轻负载电流时在轻负载电流时IAVE IRipplen电感

4、的电流电感的电流(能量能量)完全放电到完全放电到0 在电流降到在电流降到0时刻，二极管阻挡电时刻，二极管阻挡电流的反向流动，电感的电压降到流的反向流动，电感的电压降到0n开关频率与负载电流成正比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负载进一步减小时进入变频操作DCM不连续电流模式不连续电流模式8n在轻负载电流时三种工作模式在轻负载电流时三种工作模式Forced Continuous ModePulse Skip Mode(定频定频DCM)Burst Mode轻负载电流工作模式轻负载电流工作模式9Forced Continuous Moden电感中的电流在一个开关周期一定的时电感

5、中的电流在一个开关周期一定的时间内可以反向流动间内可以反向流动u电流在功率开关管正反向流动产生功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率消耗从而降低效率n允许电感电流反向流动优点允许电感电流反向流动优点u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u适合于通讯等要求干扰噪声低的应用适合于通讯等要求干扰噪声低的应用10Pulse Skipping Moden允许调节器跳掉一些不需要的脉冲，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从而极大的提高轻载的效率 u一个脉冲将对输出电容充电维持足够一个脉冲将对输

6、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的输出能量从而可以跳掉一个或几个脉冲脉冲u当输出电压降到调节的阈值电压以下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时一个新的脉冲开始n输出电压纹波频率与负载电压成正比输出电压纹波频率与负载电压成正比n在脉冲之间只有静态电流在脉冲之间只有静态电流Iq产生的功产生的功耗耗n只对输出电压进行处理，不需要对检只对输出电压进行处理，不需要对检测的电流进行处理测的电流进行处理u提高了轻载时效率但噪声大，因为实际的开关频率不固定。提高了轻载时效率但噪声大，因为实际的开关频率不固定。11Burst Mode Operationn缩短激活模式的时间，从

7、而延长系统待机缩短激活模式的时间，从而延长系统待机的时间的时间u最低的静态电流最低的静态电流Iq功率损耗功率损耗n准准disable控制器，直到输出电压到达设定的控制器，直到输出电压到达设定的下限阈值电压下限阈值电压u滞回控制滞回控制n用脉冲突发抬高输出电压直到输出电压到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。达设定的上限阈值电压。三种模式中噪声最大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。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。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

8、降到足够低要求另一次的电流突发。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。12Burst Mode vs. Pulse Skip mode (Vout and IL)Burst modePulse skip moden提供最好的低负载电流效率提供最好的低负载电流效率n但输出电压纹波高但输出电压纹波高n提供最低的输出电压电流纹波提供最低的输出电压电流纹波n但低负载电流效率差但低负载电流效率差13nBurst Mode具有最高的轻载效率，其次是具有最高的轻载效率，其次是 Pulse Skip Mode，Forced Continuous Mode轻载效率最低轻载效率最低nFor

9、ced Continuous Mode具有最好轻载调整率，其次具有最好轻载调整率，其次 Pulse Skip Mode， Burst Mode轻载调整率最差轻载调整率最差效率与轻载调整率效率与轻载调整率14Forced ContinuousPulse SkippingBurst轻载效率轻载效率OkayGoodBest负载调整率负载调整率BestGoodOkay噪声噪声BestGoodOkay结论结论15VinLCrcRVoPWMddComparatorslopeComp.VrefR1R2误差放大器补偿误差放大器补偿A(s)功率级：控制对输出功率级：控制对输出vcVCslopedTsTsVFBd

10、=kVc电压模式控制电压模式控制BUCK变换器变换器16优点优点:n不需要精密的电流检测电阻不需要精密的电流检测电阻缺点缺点n环路增益是输入电压的函数环路增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈需要输入电压前馈n环路增益是输出电容环路增益是输出电容ESR的函数的函数,需要仔细设计补偿环路需要仔细设计补偿环路n电流检测电流检测/限流控制缓慢不准确限流控制缓慢不准确n如果多个电源和多个并联相位操作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需要外部电路进行均流控制电压模式控制电压模式控制BUCK变变换器换器17VinLCrcRsenseRVoPWMdvodComparatorslope

11、compvcgmRoCthRthCthpCompensationNetworkVrefR1R2C1C2Kref(s)igmveainiL feedbackITHEAINKiError Op-Amp内在固有的脉冲峰值限流内在固有的脉冲峰值限流电感电流真正的软起动电感电流真正的软起动精确的电流检测环精确的电流检测环对于所有陶冶电容容易设计补偿环对于所有陶冶电容容易设计补偿环路路C电流模式控制电流模式控制BUCK变换器变换器18u优点优点:精确精确/快速脉冲限流快速脉冲限流真正的电感电流软起始真正的电感电流软起始容易实现多个相位容易实现多个相位/多个变换器并联操作得到更大输出电流多个变换器并联操作得

12、到更大输出电流精确精确/快速的电流均流快速的电流均流可靠性高可靠性高u缺点缺点:u需要精密的电流检测电阻需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本影响效率和成本电流模式控制电流模式控制BUCK变换器变换器19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，

13、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。 n电流模式和电压模式比较电流模式和电压模式比较20LCrcRVoPWMdvodComparatorvIthgmRoCthRthCthpCompensationNetworkVrefR1R2C1Kref(s)igmveainiL x Rds(on)ITHEAINError Op-Amp谷点电流模式控制谷点电流模式控制BUCK变换器变换器21VIth IoiLiL X Rds(on)VIth = iL X Rds(on)上管恒定导通时间上管恒定导通时间下管变化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下管变化导通时间调节输出电压VO上管驱动信号上管驱动信号谷点电流模式控制谷点电流模式控制BUCK变换器变换器22iLIo谷点电流模式谷点电流模式负载从负载从0A跳到跳到5A峰值电流模式峰值电流模式负载从负载从0A跳到跳到5A从当前的脉冲周期响应从当前的脉冲周期响应从下一个脉冲周期响应从下一个脉冲周期响应快速负载响应快速负载响应:电感的电流波形电感的电流波形23优化高降压比的优化高降压比的BUCK设计设计u优点优点:宽的输入宽的输入电压电压范围范围不需要电流检测电阻不