Part1IntroAndTopologyOverviewcn.pptx

1The World Leader in High Performance Signal Processing Solutions（真正快速实现）DC-DC转换器设计与优化2010年2月演讲人：演讲人：Wayne Rewinkel3“稳定可靠的”DC-DC转换器设计流程u1定义要求定义要求lVin、Vout、Iout、温度、直流误差、交流误差、效率、面积、器件数量、高度、温度、直流误差、交流误差、效率、面积、器件数量、高度、成本、跟踪、软启动、使能、欠压闭锁、电源正常、噪声、同步频率、短路电成本、跟踪、软启动、使能、欠压闭锁、电源正常、噪声、同步频率、短路电流、过压流、过压/欠压欠压u2选择拓扑结构选择拓扑结构l通常显而易见，但可能需要比较多个设计通常显而易见，但可能需要比较多个设计u3计算电源器件的目标值计算电源器件的目标值l利用理想值提供利用理想值提供“实际实际”LC器件规格器件规格 u4选择实际器件的产品型号选择实际器件的产品型号l由于实际值与理想值不同，因此步骤由于实际值与理想值不同，因此步骤3、4需交互操作需交互操作 u5计算散热器件的温升计算散热器件的温升l所有器件的温升和环温之和必须均在安全工作范围内所有器件的温升和环温之和必须均在安全工作范围内l需要达到一定精度，以免过热或尺寸过大需要达到一定精度，以免过热或尺寸过大u6快速响应和快速响应和45度相位裕量的补偿度相位裕量的补偿l稳定性、阶跃响应与尺寸的关系、成本因素的权衡取舍稳定性、阶跃响应与尺寸的关系、成本因素的权衡取舍u7构建原型并验证性能！构建原型并验证性能！4章节u第一部分：第一部分：DC-DC调节器拓扑结构概览调节器拓扑结构概览l线性、线性、LDO、降压、升压、降压、升压、SEPIC、ZETA、反激式与、反激式与CUKu第二部分：线性调节器设计第二部分：线性调节器设计l根据成本、尺寸、噪声和精度要求选择最佳芯片和电容根据成本、尺寸、噪声和精度要求选择最佳芯片和电容l快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具u第三部分：降压转换器设计第三部分：降压转换器设计l成本、尺寸、效率和复杂性的权衡取舍成本、尺寸、效率和复杂性的权衡取舍l快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具u第四部分：第四部分：AdIsimPowerl几秒钟优化调节电压设计（几秒钟优化调节电压设计（LDO和转换开关）和转换开关）l利用控制器分秒间实现降压设计优化利用控制器分秒间实现降压设计优化l用户借助高级设置可设定默认值用户借助高级设置可设定默认值u第五部分：升压转换器设计第五部分：升压转换器设计l成本、尺寸、效率和复杂性的权衡取舍成本、尺寸、效率和复杂性的权衡取舍l快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具快速完成选型、设计和原型制作的线性设计工具u第六部分：第六部分：SEPIC转换器设计转换器设计lADI首款首款SEPIC设计工具简介设计工具简介u第七部分：电源系统管理第七部分：电源系统管理l监控、时序控制、电流监控和热插拔监控、时序控制、电流监控和热插拔u第八部分：升降压设计示例第八部分：升降压设计示例 l反相、反相、+/-Voutu问答问答5常用及误用的术语u异步与同步异步与同步u同步同步u正激正激u降压降压/升压升压/降压降压-升压升压u连续连续(CCM)与不连续与不连续(DCM)u脉宽调制脉宽调制/COT/迟滞迟滞/脉冲频率调制脉冲频率调制u纹波电压纹波电压 u纹波电流纹波电流 u负载阶越负载阶越u右半平面零点右半平面零点u电流模式与电压模式控制电流模式与电压模式控制6u线性线性 u转换开关转换开关l伏秒平衡伏秒平衡u降压降压l异步异步/同步同步l正激正激 lZetau升压升压l异步异步u升降压升降压l反激式反激式l反相反相lSEPIClCuk第一部分：拓扑结构概览7拓扑结构#1：线性/LDOu最常用最常用uVout Vinu传输晶体管传输晶体管BJT或或FET u+通常成本最低通常成本最低u+最佳小信号电源抑制比最佳小信号电源抑制比u+最佳大信号电源抑制比最佳大信号电源抑制比u+产生的噪声最低产生的噪声最低u+压降可以很小压降可以很小u-通常效率很低通常效率很低u-Iout 远小于远小于1A时最常用时最常用u-Loss=Iout*(Vin-Vout)+Ibias*Vin8开关基础占空比uD是用于计算损耗的变量是用于计算损耗的变量l假设假设T上升上升=T下降下降=空载时间空载时间=0u占空比得自稳态：占空比得自稳态：lD=Ton/TpdlTpd=Ton+TofflD=Ton/(Ton+Toff)u重要但不是太有用l伏秒平衡要求：伏秒平衡要求：Von*Ton=Voff*Toffl整理后：整理后：Toff/Ton=Von/Voffl由上式反转由上式反转D：1/D=(Ton+Toff)/Ton=1+Toff/Tonl1/D=1+Von/Voff=(Voff+Von)/VofflD=Voff/(Von+Voff)u通过检查可写出Du适用于任何拓扑结构9开关基础电感uV/L=dI/dTl定义电感：定义电感：L=V*dT/dIl电感两端的电感两端的Vdc会引起电流增大会引起电流增大l稳态下稳态下Vdc必须始终为必须始终为010开关基础电容uI/C=dV/dTl定义电容：定义电容：C=I*dT/dVl流入电容的稳态电流会引起电容电压上升流入电容的稳态电流会引起电容电压上升l稳态下稳态下Idc必须始终为必须始终为0l单周期稳态：单周期稳态：Iin*dTon=Iout*dToff11拓扑结构：异步降压转换器uVout IinuSW1可以是可以是BJT或或FETu-常用于常用于Iout小于小于3A时时u-输入电流不连续输入电流不连续u+输出纹波电流低输出纹波电流低12适用于异步降压转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1864控制+驱动电流模式580kHz3.15V至14VADP2301控制+驱动+1.2A 功率开关电流模式700kHz、1.4MHz3.0V至20VADP3050控制+驱动+1A 功率开关电流模式200kHz3.6V至30VADP1111控制+驱动+1A 功率开关可选通振荡器72kHz2V至30V13拓扑结构：带纹波滤波器的异步降压转换器u可增加输出滤波器，以减少纹波和尖峰可增加输出滤波器，以减少纹波和尖峰u要求通过良好布局来实现全部优势要求通过良好布局来实现全部优势u滤波器周边反馈环路闭环较难处理滤波器周边反馈环路闭环较难处理u输出纹波可降至输出纹波可降至1mVppk以下以下14拓扑结构：同步降压转换器u用用SW2替换二极管以构建同步降压转换器替换二极管以构建同步降压转换器uD1可选，它仅在可选，它仅在SW1和和SW2都关断时导通都关断时导通u适合要求效率优于异步降压转换器的应用适合要求效率优于异步降压转换器的应用uSW1和和SW2采用并联技术可提供采用并联技术可提供40A以上的电流以上的电流u由于配置由于配置SW2和驱动，成本通常高于异步方案和驱动，成本通常高于异步方案15适用于异步降压转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1821/22/28/29单路和双路控制+驱动电压模式300kHz、600kHz、同步3.15V至24VADP2102/5/6/7/8/9控制+驱动+0.5至2A开关电流模式1.2MHz、3Mhz2V至5.5VADP2114/6双路控制+驱动+1/2/3A开关电流模式300kHz、600kHz、1200kHz、同步至2mHz2.75V至5.5VADP2118控制+驱动+3A 开关电流模式600kHz、1200kHz、同步2.3V 5.5VADP1872/3控制+驱动恒导通时间 电流模式300kHz、600kHz、1MHz3v至20vADP1877双路 控制+驱动仿真 电流模式200kHz至1.5MHz2.75v至14.5v16拓扑结构：异步正激/降压转换器 u变压器增加了复杂性和灵活性变压器增加了复杂性和灵活性uVinVout或或Vout Vin uD=Vout/Vin*Np/NsuT1提供隔离，需要复位提供隔离，需要复位 17适用于异步降压转换器的ADI器件u因无占空比复位钳位，不是很适用集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1621控制+驱动电流模式100kHz至1.5Mz2.9V至无限制18拓扑结构：同步正激降压转换器u增加了增加了SW2和和SW3，以减少，以减少Vout远低于远低于Vin时的损耗时的损耗u在高降压比时相对损耗更低在高降压比时相对损耗更低u隔离设计要求对驱动信号也进行隔离隔离设计要求对驱动信号也进行隔离uT1需复位需复位19适用于异步降压转换器的ADI器件集成集成控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1043控制数字任何ADP18xx(设计中设计中)控制+驱动电流模式100kHz至1MHz、同步4V至40V20拓扑结构：异步升压转换器uVout Vin,Iout Vin或或VinVoutu+易于隔离易于隔离Voutu+单个磁元件单个磁元件u+隔离隔离Vout2u-高输入纹波电流高输入纹波电流u-高输出纹波电流高输出纹波电流u-连续模式下右半平面零点连续模式下右半平面零点u-Vout跟踪困难跟踪困难28用于反激式转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1610/1NRFND控制+驱动+1.4A 开关电流模式700kHz/1.2MHz2.2V至5.5VADP1612/3控制+驱动+1.4A至2A 开关电流模式700kHz/1.2MHz1.8V至5.5VADP1621控制+驱动电流模式100kHz至1.5MHz2.9V至5.5V29拓扑结构：异步反激式转换器高端开关u开关接点不接地开关接点不接地uZeta需要增加电容需要增加电容30用于带高端开关的异步反激式转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1864控制+驱动电流模式580kHz3.15V至14V31拓扑结构：同步反激式转换器u+可以有多路可以有多路Voutu+VinVout或或VinVoutu+高降压比高降压比u+宽宽Vin 范围范围u+高效高效u-右半平面零点右半平面零点u-高纹波电流高纹波电流32用于同步反激式升降压转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1821/2/8/9控制+驱动电压模式300kHz、600kHz、同步3.15V至14VADP1877双路驱动电流模式200kHz至1.5MHz3V至60+VADP3624双路驱动任何1.4MHz4.5V至18V33拓扑结构：升降压CUK转换器u+Vin、Vout u+低输入纹波低输入纹波u+低输出纹波低输出纹波u+L1、L2可耦合可耦合u-补偿补偿u-反馈电压电平漂移反馈电压电平漂移34用于降压-升压SEPIC转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1610/1NRFND控制+驱动+功率开关电流模式700kHz/1.2MHz2.2V至5.5VADP1612/3控制+驱动+功率开关电流模式700kHz/1.2MHz1.8V至5.5VADP1621控制+驱动电流模式100kHz至1.5MHz2.9V至5.5V35拓扑结构：ZETA（反相SEPIC）转换器u与与SEPIC相似，但具有高端开关相似，但具有高端开关u+Vin、+/-Vout u+低输出纹波低输出纹波u+无右半平面零点无右半平面零点u+L1、L2可耦合可耦合 u-高输入纹波高输入纹波u-漏感共振漏感共振36适用于异步ZETA转换器的ADI器件集成水平集成水平控制技术控制技术开关频率开关频率输入电压输入电压ADP1864控制+驱动电流模式580kHz3.15V至14V37拓扑结构：可能的多种组合u电感耦合示例电感耦合示例uVout2负载区良好，但空载会升高负载区良好，但空载会升高u可用作升压转换器可用作升压转换器 uVout1可以为可以为0uADP1821/22/23,1877,2114,2118,2105/6/7/8/938降压拓扑结构与损耗的关系39升压拓扑结构与损耗的关系40选择拓扑结构u线性方案仍然最常用线性方案仍然最常用 l如果尺寸和温度均符合要求，则成本最低如果尺寸和温度均符合要求，则成本最低l负电压到负电压变换没有负电压到负电压变换没有ADI器件支持，但可由开关转换器实现器件支持，但可由开关转换器实现u用于降压的降压转换器用于降压的降压转换器l比比BB效率更高效率更高u用于升压的升压转换器用于升压的升压转换器l比比BB效率更高效率更高uVin范围低于范围低于/高于高于Vout时采用升降压转换器时采用升降压转换器l根据器件不同，选择反激式、根据器件不同，选择反激式、CUK、SEPIC、Zeta转换器转换器 l对于降压转换器，当对于降压转换器，当Vin太高时，也可使用太高时，也可使用BBu隔离隔离l取决于电源需求取决于电源需求l在几个拓扑结构中可以使用多绕组电感器在几个拓扑结构中可以使用多绕组电感器