DC DC 转换器简介【精制材料】

1、DC / DC Converter 簡 介,1,实操应用,內容,(一) DC DC 電壓轉換器基本認識 (二) DC DC 電壓轉換器架構原理 (三) DC DC 電壓轉換器的轉換效率 (四) 電感選型,2,实操应用,DC DC 轉換器基本認識,3,实操应用,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

2、(IC)需求,4,实操应用,開關電壓轉換器DC DC Converter V.S. 線性電壓轉換器DC DC Converter,開關變壓器DC DC Converter,5,实操应用,開關式電壓轉換器(Switching Type DC DC Converter ),6,实操应用,絕緣式( Isolated) v.s.非絕緣式(Non Isolated),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

3、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。,7,实操应用,同步 v.s.非同步(Non Isolated),8,实操应用,同步 v.s.非同步(Non Isolated),DC/DC轉換器的非絕緣型降壓

4、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。,9,实操应用,DC/DC Converter 切換模式,PWM,10,实操应用,PWM( Pulse Width Modulation) v.s. PFM ( Pulse Frequency Modulation),PWM控制（脈衝振幅調變）

5、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（duty cycle）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,11,实操应用,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

6、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

7、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( Pulse Width Modulation) v.s. PFM ( Pulse Frequency Modulation),12,实操应用,開關控制模式技術特點對比,13,实操应用,何謂Single Phase與Multi Phase DC DC,Multi-Phase,Single-Phase,14,实操应用,DC DC 轉換器架構原理,15,实操应用,降壓(Set-Down),非隔離切換式直流電源

8、轉換器架構,昇壓(Set-Up),昇壓-降壓,Buck,Boost,Buck-Boost,SEPIC,ZETA,CuK,反向輸出,16,实操应用,電感基本觀念,(Faradays Law),17,实操应用,電容基本觀念,18,实操应用,降壓型轉換器(Buck Converter),19,实操应用,降壓型轉換器-開關S導通,20,实操应用,降壓型轉換器-開關S不導通,21,实操应用,電壓及電流波型,22,实操应用,伏秒特性,23,实操应用,升壓型轉換器(Boost Converter),24,实操应用,升壓型轉換器-開關S導通,25,实操应用,升壓型轉換器-開關S不導通,26,实操应用,伏秒特性

9、,27,实操应用,升-降壓型轉換器 (Buck-Boost Converter),28,实操应用,升-降壓型轉換器-開關S導通,29,实操应用,升-降壓型轉換器-開關S不導通,30,实操应用,伏秒特性,31,实操应用,功率電感在切換式電源轉換器的電流行為,Synchronous Buck Converter,Buck Converter Design Example,The filter inductor value and its peak current are determined based on the specified maximum inductor current rippl

10、e.,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,32,实操应用,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,33,实操应用,功率電感在切換式電源轉換器的作用-Boost,Boost DC DC 架構,電感電流與電壓

11、波形,工作原理,a. Q1 ON :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 b Q1 OFF: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,34,实操应用,電感電流的模式,一般在一個 DC DC 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 however, this will typically result in an inductor size that is physically too big for practical use. Consequ

12、ently, “r” is usually set between 0.2 and 0.5 for buck converters,Maximum Current Flow through the Coil,Current flowing through the coil is a combination of output current and ripple-current.,Inductor Calculation of Buck Converter(進階)( Continued),54,实操应用,Example for Inductor selection:,Inductor Calc

13、ulation of Buck Converter(進階)( Continued),Determine the operating conditions of the buck converter: - VIN = 12V Input Voltage - VOUT = 3.3V Output Voltage - IOUT = 2A Output Current - r = 0.3 Output Current Ripple Ratio - VSW = 0.30 ON State Voltage Drop of Switching Element Q1 - VD = 0.26 * Forward

14、 Voltage Drop of Free Wheel Diode - fSW = 380 kHz Switching Frequency,10H is chosen as the closest standard inductance value.,55,实操应用,Power Choke Selection for Switch DC/DC Converter,In Bulk Circuit (Vin Vout):,In Boost Circuit (Vin Vout):,Example:,Frequency=200kHz, Vin=20V, Vout=1V Ducty=(Vout/Vin)

15、=(1/20)=0.05 Iout(max)=20A, I=0.2*Iout(max)=4A Lmin=(19/(4A*200kHz)*0.05 =2.4uH24A Isat 24A,Example:,Frequency=1MHz, Vin=25V, Vout=50V Duty=(Vout-Vin)/Vout=(50-25)/50)=0.5 Iout(max)=0.6A,I=0.4*Iout(max)*(4) =0.48A, Lmin=(25/(0.48A*1MHz)*0.5 =27uH1.08A Isat 1.08A,真實應用電感的感值會影響到流過的電流!進而影響到Loss,56,实操应用,

16、Example for Inductor selection : a buck regulator will be used to convert a 12V input to a 5V output with a load current of 4.5A.The operating frequency was chosen to be 600 kHz toreduce the size of the filter components, while stillmaintaining good efficiency. The converter is designed tohave 20% r

17、ipple current, so a relatively low ESR outputfilter capacitor will be used,First calculate the needed inductance value:V = L * dI/dt where:V = Vin - Vout (voltage across the inductor)dT = On time of drive = Vout/Vin/frequencyI = Chosen above to be 20%Calculate the required inductance:L = V * dt / I

18、= (12-5)*(12/5/600k)/(0.2*4.5)L= 4.8 HChoose 4.7 H, the nearest standard valueRecalculate ripple current at 23% using 4.7 H,Second determine peak to peak flux density, Bp-p:Bp-p = K * L * I where:K: K-factor from the adjacent tableL: Inductance HI: Peak to peak ripple current (Amps)Bp-p = 105*4.7*0.

19、23*4.5 = 510 Gauss,Inductor Calculation of Buck Converter( Continued),57,实操应用,Next determine the total losses in the inductor:Total losses = DC loss + AC lossDC loss = I2 *DCR = 4.52 * 0.040 = 0.81 W(DCR from FP3 datasheet)AC loss from table at Bp-p of 510 = 0.15 WTotal Loss = DC loss + AC loss = 0.

20、96W,Finally determine the temperature rise.Total loss = 0.96W, using the table,Temperature rise is 80CAssuming an ambient temperature of 70C,The temperature of the inductor isT = 70 +75 = 150C,Inductor Calculation of Buck Converter( Continued),58,实操应用,CCM (Continuous Conduction Mode) v.s. DCM ( Cont

21、inuous Conduction Mode),CCM/DCM boundary condition (CCM轉換 成DCM ) : (1) I load r / 2 x Io (2) L ( 1 D ) R / 2 f = ( 1 D ) Vo / Io,一般在一個 DC DC 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),PWM IC 訊號,59,实操应用,轉換器占空比( Duty Cycle ) 與輸入 ,輸出之關係,D :

22、占空比 ( Duty Cycle ) fs : 切換頻率 V in : 輸入電壓 V out : 輸出電壓 Iout : 輸出電流 R : 負載電阻 ( V out / I out ),60,实操应用,Inductor Selection for Buck Converters,you will need to define or calculate the following parameters: Maximum input voltage Output voltage Switching frequency Maximum ripple current Duty cycle,For th

23、e example shown in figure lets assume a switching frequency of 250kHz, input voltage range of12V10% and a max ripple current of 220mA. For an input voltage of 13.2V the duty cycle will be: D = Vo/Vi = 5/13.2 = 0.379 Where Vo is the output voltage and Vi is the input voltage. Voltage across the induc

24、tance: V1 = Vi - Vo = 8.2V when the switch is on V1 = - Vo = -5V when the switch is off Require inductance: L = V1.dt/di = (8.2 x 0.379/250 x 103)/0.22 L = 56.5H,61,实操应用,Inductor Selection for Boost Converters,Taking maximum input voltage as 5.5V, switching frequency as 100kHz and maximum ripple cur

25、rent as 0.1A. Duty cycle: D = 1 (Vi/Vo) = 1 (5.5/12) = 0.542 Inductor Voltage: V1 = Vi = 5.5V when the switch is on V1 = Vo Vi = 6.5V when the switch is off inductance: L = V1.dt/di = (5.5 x 0.542/100 x 103)/0.1 L = 298H,62,实操应用,Inductor Selection for Buck-Boost Converters(including Cuk & SEPIC & ZE

26、TA),For this example we shall use a switching frequency of 200kHz and a maximum ripple current of 200mA. Duty cycle: D = Vo/(Vo + Vi) = 12/(12+18) = 0.4 Inductor voltages: V1 = Vi = 18V when the switch is on V1 = Vo = 12V when the switch is off inductance: L = V1.dt/di = (18 x 0.4/200 x 103)/0.2 L = 180H,SEPIC Converter Circuit,CuK Converter Circuit,ZETA Converter Circuit,63,实操应用,電感選型 - 降壓 ( Buck ),64,实操应用,電感選型 - 昇壓 ( Boost ),65,实操应用,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,66,实操应用,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