DC-DC电源基础知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,DC-DC电源基础知识,目录,1、,DC-DC电源分类,及工作,原理,2、,DC-DC电源,典型电路分析,3、,PWM,控制原理,4、,关键,器件选择,5、DC-DC电源PCB,布局,DC-DC电源是一类直流转换为直流的电源。,应用,：,数字电路、电子通信设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷,达、消防、设备和医疗器械教学设备等诸多领域。,优点,：,功耗小,、,效率高,、,体积小,、,重量轻,、,可靠性高,、,自身抗干,扰性强、输出电压范围宽、模块化,。,DC-DC电源分类,及工作,原理,DC-DC电源分类,及工作,原理,3.3V-1.5V,12V-3.3V,3.3V-1.1V,DC-DC电源可分为三大类：,Buck converter(降压型),Boost converter(升压型),Buck-boost converter(降压升压型),DC-DC电源分类,及工作,原理,1.1,Buck converter,（降压型）,Vo=Vin*D,D,1，,VoVin,DC-DC电源分类,及工作,原理,降压变换器原理图,LC输出滤波,续流二极管,DC-DC电源分类,及工作,原理,当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo）*Ton=（Vo）*Toff，,由于占空比DVo，实现降压功能。,1.2,B,oost,converter,（升压型),DC-DC电源分类,及工作,原理,升,压变换器原理图,Vo=Vin/(1-D),D,Vin,升压电感,滤波电容,（1）开关连接,当开关处于连接状态时，通过电感的电流为：,当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。,DC-DC电源分类,及工作,原理,（2）开关断开,当开关处于断开状态时，通过电感的电流为,：,当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo-Vi）*Toff。,当开关处于断开期间，存储在电感的能量释放到输出端，同时电源端的电压也加到输出端，即为V,o,=V,i,+V,L,DC-DC电源分类,及工作,原理,DC-DC电源分类,及工作,原理,当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）*Ton=（Vo-Vi）*Toff，,由于占空比D1，所以ViVo，实现升压功能。,1.3,B,uck-boost,converter,（降压升压型）,Vo=Vin*D/(1-D),VoVin,当DVin,当D0.5,DC-DC电源分类,及工作,原理,升降压变换器原理图,（1）开关连接,当开关处于连接状态时，通过电感的电流为,：,更换当开关闭合时，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）*Ton。,当开关处于连接期间，电源输出的能量存储在电感当中，同时已充电的电容给负载供电，负载电压极性与电源电压相反。,DC-DC电源分类,及工作,原理,（2）开关断开,当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：,当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）*T,off,。,当开关处于断开期间，存储在电感中的能量释放出来，传送给负载和电容，此时负载电压极性与电源极性相反。,DC-DC电源分类,及工作,原理,DC-DC电源分类,及工作,原理,当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，,（Vi）*Ton=（Vo）*Toff，根据Ton比Toff值不同，可能ViVo。,典型电路分析,非MOS开关管集成的,RT8105,TI公司,TPS54627,TI公司,TP,S,54329,SY8032E,设计时常用的电源芯片,G9661,典型电路分析,以电源芯片TPS54329为例,芯片内部,原理框图,4.5V至,18V,输入,3A同步降压,；,输出电压范围：0.76V-7.0V；,可调节软启动时间、,过电流保护,、,低电压锁定保护,、,热关断,保护；,8管脚,封装，底部中间有地；,软启动,控制软启动时间,通过分压电阻获取反馈电压,欠压锁定保护,确保高侧FET良好导通,典型电路分析,芯片运用的,原理图,直流增益是由输出电压决定，所需的电感值将随着输出电压的增加而增加。对于等于或高于1.8 V的输出电压，通过增加一个前馈电容（C4）与R1并联可将相位提高。,PWM控制原理,开关电源利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压。,脉冲调制方式主要分为：,PFM（Pulse Frequency Modulation）：脉冲频率调制,【特点：对于外围电路相同，在峰值效率以前，其效率远比PWM的高，且响应速度较,快；但不易实现，通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率】；,PWM（Pulse Width Modulation）：脉冲宽度调制,【特点：在重载时效率高、噪音低且较于PFM易于实现，成为目前主流技术】；,工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式，在较重负载电流条,件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。,PWM,开关稳压器基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负,载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调,节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信,号稳定。,PWM控制方式：,电压控制模式、,电流控制模式,（1）电压控制模式：利用输出电压作为反馈控制信号，占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值。,（2）电流控制模式：同时采用电流和负载电压作为控制信号，占空比正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。,PWM控制原理,3.1,典型的电压控制模式,控制回路包括由R,1,和R,B,组成的电阻分压器、电压误差放大器、PWM比较器(又称,PWM调制器)以及功率管驱动电路等模块。图中V,r,ef,是由带隙基准源提供的基准电,压，斜坡振荡器提供斜坡输入信号V,ramp,，它的频率等于开关频率,。,u,G,Vc（t）,V,ramp,PWM控制原理,稳压过程,（1）当输出电压U0增大时，取样电压U,NI,会同时增大，可简述为：,（2）当输出电压U0减小时，取样电压U,NI,会同时减小，可简述为：,Uo U,NI,Uc（t）U,G,的 d（t）Uo,Uo U,NI,Uc（t）U,G,的 d（t）Uo,PWM控制原理,优点,：（1）PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；,（2）占空比调节不受限制；,（3）对输出负载的变化有较好的响应调节；,缺点,：（1）对输入电压与,负载电流,的变化动态响应比较慢：,因为系统为响应负,载电流或输入电源的变,化,，必须“等待”负载电压的相应变化，由此引起控制,信号V,e,rr,的变化后，才能实现对占空比d的调节。通常这种等待或延迟会影响系,统的稳压特性。,（2）输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器,时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。,PWM控制原理,3.2,典型的电,流,控制模式,采用电流模式控制可以消除电,压,控制模式,的,“等待”问题,。,峰值电流控制模式PWM开关电源系统,PWM控制原理,电路中的振荡器产生频率为f,s,的线性斜坡信号,和,频率f,s,同步送出正窄脉冲信,号,；,此外，电路中还增设了检测电感电流信号的电流检测电阻R,S,、电流检测放大器,和RS触发器。R,S,和电流检测放大器用于产生正比于电感电流瞬时值的电压V,sens,，,RS触,发器用于实现依据电感电流瞬时值的大小控制功率管截止的时刻。由误差放大器对,基准电压V,ref,和负载电压分量V,o,(R,b,/(R,i,+R,b,)之间的差值进行放大，得到控制信号V,C,。,由于在一个开关周期时间内，负载电压的变化量很小，可近似认为在同一个开关周,期时间内V,c,值不变，以V,c,表示。V,c,被送到PWM比较器的反相输入端:而送至PWM比较器,的同相输入端的，则是由V,sens,和斜坡补偿信号V,ramp,相加后得到合成信号(V,sens,+V,ramp,),。,PWM控制原理,PWM控制原理,电流控制PWM的优点,：,（1）暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；,（2）瞬时峰值电流限流功能；,（3）输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美。,缺点,：,（1）,占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；,（2）容易发生次谐波振荡。,关键器件选择,电感Q值：也叫电感的品质因素,，,是衡,量电感器件的主要参数。是指电感器在某,一频率的交流电压下工作时，所呈现的感,抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越,高，其损耗越小，效率越高。Q值过大，引,起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。,4.1 输出电感,作用,能够将电能转化为磁能而存储起来。由,于电感电流不可突变从而维持整个开关周期,电流的持续输出。,较大的电感提供较低的峰值电流和较低的损耗，可以提高效率，还可以减 小纹波电流和纹波电压；较小的电感通常带来较低的效率，但是由于其电流有更快速变化的能力，在负载变化时可以提供更快速的响应。,感值选择,电感的大小可以根据纹波电流计算得到：,（I,L,取负载电流的30%左右）,饱和电流,电感饱和电流一般为电感峰值电流的1.251.5倍,如果小于电路的峰值电,流,那么电感量就会变小，达不到滤波效果。,关键器件选择,4.2 分压电阻,作用,输出电压通过R1和R2组成分压网络反馈给控制电路，控制PWM占空比，从而控制开关管的导通和截止，达到稳定输出电压的目的。所以分压电阻很重要的作用是设置Buck电路的输出电压值。计算公式如下,：,精度选择,为确保电路的高精确度，分压电阻一般选用精度为1%。,关键器件选择,4.3 输入电容,电容特性,右图为实际的电容模型。,故其实际,阻抗为：,当频率较低时，可忽略jwL,电容呈容性；,当频率较高时，可忽略1/jwC,电容呈感性；,当jwL+1/jwL=0时，电容呈电阻特性，此时阻抗最小，对应的频率为自然谐振频率f,0,。,大容值的电容通常具有较大的等效电感，因而其自谐振频率较小，所以比较适合用于滤除低频干扰噪声；小容值的电容通常等效电感也较小，因此自谐振频率较大，所以适合用于滤除高频干扰噪声。利用不同电容组合并联的形式，可以起到很好的滤波效果。,关键器件选择,输入电容的作用,输入电容的作用是保持输入电压稳定在一定的范围内，并且滤除输入直流电压中的交流成分。,如右下图，C1电容起到储能作用，,当逻辑器件状态变化时提供一个瞬态电流，减小电源瞬变及跌落，保持电源完整性。一般为铝电解电容。,C2、C3是滤波电容。电容能够“通交流、阻直流”，输入信号中的交流成分可以通过电容排到大地，剩下纯净的直流成分。其中大电容滤除低频成分、小电容滤除高频成分。,关键器件选择,4.4,输出电容,作用,输出电容的作用是滤除开关纹波。C越大，Z,C,越小，当电容阻抗远大于负载阻抗R时，几乎所有的电感电流纹波都流经电容。电容电流波形iC(t)等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分。,输出纹波电压由容量和ESR共同决定。,由容值引起的纹波：,由ESR引起的纹波：,输出纹波：,关键器件选择,容值和ESR选择,电解电容的容值较大，输出纹波主要是由ESR造成。要降低纹波，主,要是减小ESR。,陶瓷电容的ESR很小，要降低纹波，主要是增大电容。,故输出电容一般选择具有较大容值和较小ESR的电容，为减小ESR，可采用多个瓷片电容并联的形式。,关键器件选择,DC-DC电源PCB,布局,输入开关电流环路尽可能小,、,保持模拟和非开关器件远离开关器件,、,输出电容,必须连接到,PGND,、,电压反馈环路应尽可能的短，并最好有接地屏蔽,、,连接到,VFB,引脚,上的电压分压器的低电阻应该与模拟地共地,、,提供足够的通孔给,VIN,SW,和,PGND,连接,、,VIN输入旁路电容和,VIN,高频旁路电容应尽可能靠近设备放置。,PCB布局,图,TPS54329应用图,问题,1、,输出反馈端的电容有什么作用，接上与不接有什么区别？,2、VBST与SW之间的电容有什么作用？,3、为什么输入端要接三个不同容值的电容？那都是滤波，不同容值范围的电容有什么作用？,4、感抗容抗与频率有何关系？,5、电感Q值是否越大越好？,THANK YOU！,