DCDC+电源培训课件

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™电源培训目录1.DC/DC

工作原理参数设计布板设计可靠性的考虑电源量测MPSConfidential-Action

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ICTechnology®DC/DC

工作原理主要针对降压型Buck电路进行介绍Buck架构非同步BUCK同步BUCKMPSConfidential-Action

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ICTechnology®Buck工作BUCK工作时的电路状态典型电路等效电路等效电路MPSConfidential-Action

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ICTechnology®Buck时序Vin

L

fMPSConfidential-Action

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ICTechnology®

(VIN

VOUT

)

VoutL

I电感的平均电流等于输出负载电流电感具有纹波电流输出电容的电流等于电感纹波电流电感峰值电流为Iout+ΔIL/2Buck基本公式(A)

当开关置1时，电感电压电流关系为：dtdiL(

t

)

VOUTvL(

t

)

VIN

L电感电流变化率:

VOUTdt

L电感电流纹波：diL

(

t

)

VINSLDTL

VIN

VOUT

Idt

L

iL

(

t

)OUTLv

(

t

)

V电感电流变化率:diL

(

t

)

VOUTdt

L电感电流纹波：L

SL

I

VOUT

(

1

D

)T(B)

开关置2时，电感电压电流关系为：MPSConfidential-Action

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ICTechnology®

Buck电压基本关系

Buck变换器输入输出电压的基本关系:定义:D

占空比

(0~1)D’ 1

-

DTs

开关周期(us)Fs

开关频率(kHz)VINOutput

Voltage

=

Input

X

Duty

CycleD

VOUTMPSConfidential-Action

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ICTechnology®BUCK

控制环路Power

SectionMPSConfidential-Action

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ICTechnology®Control

Section峰值电流控制图中标示的是典型的电压外环、电流内环控制的峰值电流控制方式。峰值电流工作模式下，我们可以将电感简化为一个电流源，这样补偿更加简单，且可实现cycle-by-cycle的电流限制。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®斜坡补偿没有斜坡补偿时，当占空比大于0.5时，系统会进入不稳定状态；斜坡补偿可以使得环路更加稳定。实质是几何上改变了扰动的反射点，使得扰动带来的变化值呈衰减趋势。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®同步整流开关稳压器中功率消耗最大的元件是二极管，消耗功率

为二极管导通压降与电流的乘积，该功耗降低了总体效率。为最大限度地提高效率，可以用一个开关替代二极管，即所谓的“同步整流结构”MPSConfidential-Action

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ICTechnology®Buck比较CS1D1LCS1S2LMosfet:MPSConfidential-Action

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ICTechnology®V=Rds(on)*Iout=0.085*2=

0.17VPmos=V*Iout*(1-D)=0.17*2*(1-1/12)=0.31W非同步整流：

轻载效率高

不适应大电流工作

适合高压降压电路设计

抗干扰特性较好同步整流：

满载效率高

适应中低电压工作

适合低压大电流电路设计低电压

低占空比,续流管导通更长时间

抗干扰特性较好例子:

Vin=12V,

Vout=1V,

Iout=2ASchottky

diode:

Vf=0.5VPdiode=Vf*Iout*(1-D)=0.5*2*(1-1/12)=0.92W参数设计主要针对降压型Buck电路主要元器件参数的设计进行介绍典型同步整流芯片电路INBSSWFBCOMPGNDENSSR1R2C2C3INPUTC1OUTPUTMP1482C6R3C7补偿电路MPSConfidential-Action

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ICTechnology®反馈电路电感L1软启动输出电容输入电容自举电容C5反馈电阻选择输出电压由反馈电阻R1，R2设定，公式如下.R2R1

R2VO

VFBR2具有一定的典型值，根据芯片的反馈内部等效阻抗来定义.R1由下式确定R1

R2

VO

VFB

.VFBINBSSWFBCOMPGNDENSYNCL1D1R1R2C2C3R3INPUTC1C5OUTPUTMP1482C6C7MPSConfidential-Action

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ICTechnology®输出电压设定

Buck线路电流计算

Vin

L

fMPSConfidential-Action

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ICTechnology®

(VIN

VOUT

)

VoutL

I电感的平均电流等于输出负载电流电感具有纹波电流输出电容的电流等于电感纹波电流电感峰值电流为Iout+ΔIL/2电感计算感量选择感量根据纹波电流来计算VINVOUT

(

1

VOUTL

)

IOUT

f

Sδ

=

20%

~40%MPSConfidential-Action

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ICTechnology®电感电流纹波一般为开关限流值的30%来估算，一旦电感值确定，应该马上重新估计该电感的实际纹波电流。电感额度电流和饱和电流电感峰值电流额定电流容量要大于负载最大额定电流大小饱和电流通常设计为电感峰值电流的1.25-1.5倍。（一般磁芯的饱和电流为额定电流的1.8~2倍）电感磁芯的最坏工作情况在电路启动和输出短路情况下出现。

IL

/

2IPEAK

Iout电感磁芯选择磁心材料铁氧体磁芯应用于高于350kHz工作频率的应用中，低于350kHz的频率一般可采用铁粉心等材料。参考供应商产品手册时，一般选取比设计值略微大些的电感， 以保证电感的电流纹波量及最大峰值量可控，因为目前电感器 件的精度较差，选取合适磁芯后应从新计算电感交流纹波、峰 值电流及有效值的大小。一般MP1482的开关频率为380kHz，因此可选用铁氧体磁心材 料。功率电感提供商:

Wurth,

Pulse,

TDK,

Panasonic,

Sumida,

Murata,

DeltaMPSConfidential-Action

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ICTechnology®电容基本特性ESL01f

2

C

LUnder

f0

:Over

f0

:

1ZC

j2

fCZC

j2

f

LESLAt

f0

:ZC

RESR谐振频率:电容模型MPSConfidential-Action

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ICTechnology®封装典型ESL

(nH)陶瓷Ceramic06030.808051.012061.212101.0钽Tantalum08051.612062.214112.324122.8电解ElectrolyticSMT6.8Thru-hole>10典型电容ESRESL10uF/10V

Ceramic4

mΩ1.25nH100uF/10V

Tantalum46

mΩ3nH470uF/10V

Electrolytic100

mΩ15nH不同材质电容的特性MPSConfidential-Action

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ICTechnology®电容抗性和频率的关系陶瓷电容特性电容特性和电压、温度的关系：Y5V

较大的容值变化Y5V

大的ESR变化X7R

小的ESR变化X7R

较小的容值变化MPSConfidential-Action

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ICTechnology®陶瓷电容特性举例Cap

#1

10uF/10V

Y5V

1206Cap

#2

1uF/10V

X7R

1206MPSConfidential-Action

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ICTechnology®输出电容特性OUT

SCOUT8C

f

IOUT

V

VESR

RESR

IOUTDMPSConfidential-Action

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ICTechnology®

IOUTESL

S

L

fESL

V输出电容，ESR，ESL引起的输出纹波分别是输出纹波△V为△VcOUT,△VESR,△VESL的矢量和Vr=VC+VESR+VESL

Vr≈(ESR+1/ωC)*△I，输出电容选择ESR和容量选择A.

如果用电解电容，有很大的容量(<500kHz)，输出电压纹波主要由ESR引起。要降低纹波，主要是要减小ESR。OUTESR

I

VOUTR当ESR选定后，容量就可以确定：ESR

SOUT2

R

f10C

B.

如果用陶瓷电容，ESR很低，输出电压纹波主要由COUT引起。SMPSConfidential-Action

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ICTechnology®OUTOUT8

V

f

IOUTC

输出电容的耐力耐压选择钽电容要高于2倍输出电压铝电解电容和陶瓷电容要高于1.5倍输出电压RMS电流Cout能承受的RMS电流为：2

3MPSConfidential-Action

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ICTechnology®

IOUTICOUT

,RMS输入电容主要参数：额定电压，容值和额定RMS

电流输入电容的电压为一般选大于： 输入电容的容值由工作频率和输出电流和所要求的输入纹波电压决定：VinMPSConfidential-Action

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ICTechnology®RMS电流Irms

Vo(Vin

Vo)

*

(

Io

)输入电容的选择对于MP1482和MP2105而言，建议使用X5R或X7R陶瓷电容作为输入电容。容值选取输入电容在开关频率点的阻抗应该远小于电源阻抗，以减少开关对电源的干扰。对于MP1482，容值建议选10uF。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®输入电容举例软启动软启动：控制输出电压上升速度，可以减小输入冲击电流，调整时序。软启动时间Tss=Vref*Css/IssMPSConfidential-Action

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ICTechnology®补偿电路R3的大小跟带宽成正比,而带宽一般选择在开关频率的十分之一或者更小;而带宽太大则会影响到系统的稳定性,表现在开关波形不稳等;而太小则动态特性变差,过充变大而当R3确定后,需确定C3的值,R3,C3共同决定了系统的相位裕量.而C6是为了消除高ESR电容对系统带来的影响,特别是高频部分的影响.当输出电容的ESR相对较大时,可以加上C6消除其影响R3,C3以及C6的计算公式在规格书有详细介绍特别需要注意的是当占空比很小的时候,比如输出1v或者1.2v时候,推荐把C3加大到10nf使得系统更稳定INBSSWFBCOMPGNDENSYNCL1D1R1R2C2C3INPUTC1C5OUTPUTMP1482C6R3C7MPSConfidential-Action

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ICTechnology®自举电容在Nmos为上管的Buck电路中，需 要以SW为基准的5V电压为上管提 供驱动能量，自举电容就是用来 提供这个驱动电源。电容从10nF~1uF不等，各芯片要求不同。串联50ohm以内的电阻减弱开关驱动能力，可以用来减缓芯片的上升沿斜率，优化EMI。INBSSWFBCOMPGNDENSYNCL1D1R1R2C2C3R3INPUTC1C5OUTPUTMP1482C6C7MPSConfidential-Action

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ICTechnology®自举电容作用布板设计针对降压型Buck电路的PCB布局进行介绍连续电流断续电流CHF明确连续和断续电流路径和高dv/dt开关节点.VIN+ESRinVinCinSTHigh

dv/dt

nodeSBLFCoRVoDESRoSWPGNDBUCK电流路径:关键环路MPSConfidential-Action

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ICTechnology®线路分析布板指南红色标识的器件是功率器件，应尽可能的紧凑SW走线应尽量粗而短,不要有过孔输入电容应该靠近芯片的VIN脚模拟地和功率地分开。两者单点连接。其中COMP,

SS,

FB,GND都是连接模拟地。如果有大面积的地，可以不分。反馈线尽量少打过孔,R1和R2尽量贴近IC放置用敷地来减小噪声布板基本原则MPSConfidential-Action

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ICTechnology®地平面电流的考虑避免放置功率或信号线在地平面上，更不要破坏HF电流回流路径。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®布板实例1MPSConfidential-Action

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ICTechnology®开关线粗而短输入电容靠近芯片信号地与功率地分开，单点连接反馈电阻靠近芯片地平面大功率面积小布板实例布板实例2MPSConfidential-Action

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ICTechnology®布板实例3SW

过长Top

LayerMPSConfidential-Action

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ICTechnology®布板实例4底层板地平面需要大且完整MPSConfidential-Action

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ICTechnology®IC

通过底部散热焊盘进行有效散热可靠性的考虑主要针对降压型Buck电路的案例进行介绍造成异常的主要因素MPSConfidential-Action

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ICTechnology®静电高温虚焊元件缺损错料pcb做错静电人体接触是芯片工作异常的主要来源。生产操作中要进行有效防护，如防静电手环，防静电服和防静电工作台。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®静电PCB设计的静电考虑：芯片位置和电路的摆放。芯片放置远离板的边缘电路中不易受静电影响的部布置在板的外围MPSConfidential-Action

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ICTechnology®静电ACDC电源线连接瞬间产生空气放电的火花，也可能对芯片造成影响。原因是电路输入电容的较大，在电源接入瞬间会造成前端电源短路形成弧光放电。采用开关控制可以有效屏蔽放电产生的影响。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®高温考虑密闭空间中的元器件温升的影响，电阻器件，如设计过载能力不够，电阻会在长时间的烘烤下碳化、变脆损坏。功率电阻过热，会导致距离较近的焊锡融化。正确的方式是用温度仪器对板面温度进行监控，对较热的部分进行有效的降温处理。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®元器件缺损PCB形状长宽比例较大时，注意元器件在较长的方向上的机械应力，在板面发生弯曲时会造成元器件的断裂。MPSConfidential-Action

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ICTechnology®元器件缺损容易遗漏的元器件包括C5、C2、C1等。使用中易于损坏的元器件包括C1、L1。INBSSWFBCOMPGNDENSYNCL1D1R1R2C2C3INPUTC1C5OUTPUTMP1482C6R3C7MPSConfidential-Action

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ICTechnology®虚焊和错料MPSConfidential-Action

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ICTechnology®虚焊和错料是最不易被修正的错误，要凭借对电路电特性的测试来判断具体错误的地方，因为各个器件甚至PCB板都有出现错误，而虚焊的错误是新制板后测试中最容易出现的失误，需要工程人员有足够的耐心和仔细的观察分析能力来处理此类失误。电源量测测试MPSConfidential-Action

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ICTechnology®测

试

准

备

测

试

项

目

测

量

方

法

测试准备测试设备测试板示波器，电压探头，电流探头（如需测量启动电流）万用表×2电子负载/电阻负载红外测温仪/热电偶MPSConfidential-Action

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ICTechnology®测试项目MPSConfidential-Action

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ICTechnology®数据指标效率，耐压，输出精度，输入电压调整率，负载调整率波形纹波，动态响应，短路，开关机温升测量指标MPSConfidential-Action

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ICTechnology®效率测试负载接电子负载或电阻负载，将万用表串联在输入端测量电流，调整负载电流，测试不同负载电流下的效率：

Efficiency=Vout*Iout/(Vin*Iin)*100%耐压将输入电压调至表称最高值，确认芯片是否工作正常输出精度在指定的输入电压和额定负载下，输出电压测量值与标称值的差值的百分比即输出精度精度=(V-Vset)/Vset这个精度包含了反馈电阻的误差，单纯DC/DC芯片的精度可以通过测量反馈脚的电压与标称电压的差值得到测量指标MPSConfidential-Action

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ICTechnology®电压调整率输出电压随着输入电压变化的百分比就是电压调整率。测量：标称输入电压下的输出电压Un0高输入电压下的输出电压Uh0低输入电压下的输出电压U10取最大偏差电压，即取|Uh0-Un0|和|U10-Un0|中的最大值与标称输出电压下的输入电压Un0相比，以百分比来表示，就是电压调整率。负载调整率随着电源负载的变化，输出电压也会出现一定的变化。输出电压随着负载变化的百分比就是负载调整率。在25