buck電路原理

1、power supply 電源,by adlsong,放電,電池,li+/li-poly 34.2v,nimh/akaline 0.91.5v,太陽能/燃燒電池,作用 主/背份電源,類型 初級 次級,管理 保護 gas gauge 安全,功率轉(zhuǎn)換,負載,充電,電源,適配器 5v/9v/12v/24v 精度10% 開關(guān) 汽車插頭,usb 4.5v5.25v 電流100/500ma,rf ic 要求低噪聲,標準ic 5v/3.3v/2.5v/1.8v vcore,顯示 led/flash lcd/oled/el bias ccfl,馬達/感性 vibrator hdd,usb host ports

2、,others tuner,power supply,choose topology,ldo,線性電源ldo 低效率,短電池壽命,效率 = vo/vin 壓差 = vin- vo 小尺寸,低輸出電流,成本低,容易設(shè)計 輸出干凈 只能降壓,工作在線性區(qū) 相當于一個可變電阻,基準電壓 并聯(lián)基準 具有與齊納二極管等效功能的電壓基準。必須將偏置電流設(shè)定得比最大靜態(tài)電流與最大預(yù)期負載電流之和更高。由于并聯(lián)基準通常是采用一個電阻器來施加偏壓，因此它們能夠在各種輸入電壓條件下操作。 串聯(lián)基準 具有與三端穩(wěn)壓器相似功能的電壓基準。帶負載能力強:從輸入電源吸收負載電流和靜態(tài)電流,基準電壓,開關(guān)電源,開關(guān)電源 高

3、效率,長電池壽命,大電流 大尺寸,成本高 輸出噪聲,降壓/升壓/負壓,buck,boost,buckboost,sepic,cuk,buck變換器,降壓調(diào)節(jié)器,buck,開關(guān)管導(dǎo)通,電感激磁,電流線性上升,開關(guān)管關(guān)斷,電感去磁, 電流線性下降,buck,buck,b,ton: 激磁,toff: 去磁,vo toff = (vin vo) ton vo = d vin 其中: d = ton/ t 忽略功率損耗: vin iin = vo io iin = il = io/d,恒定,伏秒值平衡,buck,在重負載電流時 iave iripple 電感的電流總是由正方向流動 電流不會降到0 pwm

4、控制,恒定開關(guān)頻率工作 改變占空式調(diào)節(jié)輸出,由于開關(guān)頻率固定，噪聲頻譜固定，噪聲頻譜相對窄，使用簡單濾波技術(shù)就可以極大程度的減小峰峰電壓紋波,buck,ccm連續(xù)電流模式,噪聲不容易濾除,在輕負載電流時 iave iripple 電感的電流(能量)完全放電到0,在電流降到0時刻，二極管自然關(guān)斷,阻擋電感電流的反向流動，輸出由電容提供,紋波大. 開關(guān)頻率及輸出電壓和負載電流相關(guān),buck,dcm不連續(xù)電流模式,ccm,dcm,buck,ccm有最小輸出負載電流要求,輸出負載電流下降 從ccm-dcm,輸出電容紋波: 注意: ilio時cout 充電,方法2: 積累電荷,方法1: 在充電時間積分,

5、考慮esr,buck,最惡劣情況: u = uo1 + uo2,臨界工作模式(介于dcm和ccm邊界,dcm,1 伏秒值平衡,2 功率平衡,buck,同步buck變換器 1 續(xù)流二極管換為功率mosfet 2 應(yīng)用于低電壓大電流 低電壓低占空比,續(xù)流管導(dǎo)通更長時間 3 高效率,buck,大的輸出電流時,同步管用幾個mosfet并聯(lián)以減小導(dǎo)通電阻同時有利于散熱,功率mosfet vdds vinmax ， idmax io+i/2,buck,元件選取,續(xù)流二極管或同步mosfet vrrm 或 vdds vinmax ， if(av) 或 idmax io(1-d,電感 l vodmin/f i

6、 ， i = 0.20.4 io ， 飽和電流isat io+i/2,pcb：輸出地回路電流連續(xù)，輸出地為干凈地,以d的正極為單點地,buck變換器輕載時操作控制技術(shù),buck,1 強迫ccm模式 2 跳脈沖模式(定頻dcm到變頻) 3 突發(fā)模式burst mode,電感中的電流在一個開關(guān)周期中的某一段時間內(nèi)可以反向流動,允許電感電流反向流動優(yōu)點 輸出紋波電壓和頻率在整個負載變化范圍內(nèi)恒定，容易濾除噪聲 適合于通訊等要求干擾噪聲低的應(yīng)用,0,buck,強迫ccm模式,對于同步buck當電感的電流為0時,同步mosfet仍然導(dǎo)通, 電感電流反向激磁, 電感電流反向流動,環(huán)流產(chǎn)生功率消耗從而降低效

7、率,允許調(diào)節(jié)器跳掉一些不需要的脈沖，從而極大的提高輕載的效率 一個脈沖將對輸出電容充電維持足夠的輸出能量，從而可以跳掉一個或幾個脈沖。當輸出電壓降到調(diào)節(jié)的閾值電壓以下時，一個新的脈沖開始 輸出電壓紋波頻率與負載電壓成正比，在脈沖之間只有靜態(tài)電流iq產(chǎn)生的功耗。只對輸出電壓進行處理，不需要對檢測的電流進行處理,提高了輕載時效率但噪聲大，因為實際的開關(guān)頻率不固定,0,buck,跳脈沖模式,縮短激活模式的時間，從而延長系統(tǒng)待機的時間，最低的靜態(tài)電流iq功率損耗 準disable控制器，直到輸出電壓到達設(shè)定的下限閾值電壓，滯回控制 用脈沖突發(fā)抬高輸出電壓直到輸出電壓到達設(shè)定的上限閾值電壓 三種模式中噪

8、聲最大,需要電流檢測當要求的輸出電流降到內(nèi)部設(shè)定的閾值時。 元件關(guān)斷內(nèi)部的振蕩器進入低電流工作狀態(tài) 保持低電流的工作，直到輸出電壓降到足夠低要求另一次的電流突發(fā),buck,突發(fā)模式,突發(fā)模式,跳脈沖模式,提供最好的低負載電流效率 但輸出電壓紋波高,提供最低的輸出電壓電流紋波 但低負載電流效率差,buck,突發(fā)模式具有最高輕載效率，其次是跳脈沖模式，強迫ccm模式輕載效率最低,強迫ccm模式具有最好輕載調(diào)整率，其次跳脈沖模式， 突發(fā)模式輕載調(diào)整率最差,效率與輕載調(diào)整率,buck,buck變換器控制方法,buck,1 電壓模式 2 電流模式：峰值電流，平均電流，谷點電流,vin,l,c,rc,r,

9、vo,pwm,d,d,comparator,slope,comp,vref,r1,r2,誤差放大器補償,功率級：控制對輸出,vc,vfb,d=kvc,電壓模式控制buck變換器,buck,buck,優(yōu)點: 不需要精密的電流檢測電阻供最缺點 缺點 1 環(huán)路增益是輸入電壓的函數(shù),需要輸入電壓前饋 2 環(huán)路增益是輸出電容esr的函數(shù),需要仔細設(shè)計補償環(huán)路 3 電流檢測/限流控制緩慢不準確 4 如果多個電源和多個并聯(lián)相位操作,需要外部電路進行均流控制,電壓模式控制buck變換器,vin,l,c,rc,rsense,r,vo,pwm,d,vo,d,比較器,slope comp,vc,gm,ro,cth,

10、rth,cthp,補償網(wǎng)絡(luò),vref,r1,r2,c1,c2,kref(s,igm,veain,il feedback,ith,eain,ki,誤差放大器,峰值電流模式控制buck變換器,buck,buck,優(yōu)點: 1 內(nèi)在固有的精確/快速脈沖限流 2 真正的電感電流軟起始 3 對于所有陶冶電容容易設(shè)計補償環(huán)路 4 易實現(xiàn)多個相位/多個變換器并聯(lián)操作得到更大輸出電流 5 精確/快速的電流均流 6 可靠性高 缺點 需要精密的電流檢測電阻,影響效率和成本,峰值電流模式控制buck變換器,buck,優(yōu)點: 準確的電流檢測 缺點 1 需在電流平均化處理，即電流誤差放大器。 2 響應(yīng)慢 3 需要精密的電

11、流檢測電阻,影響效率和成本,平均電流模式控制buck變換器,應(yīng)用: apfc的ccm模式,l,c,rc,r,vo,pwm,d,vo,d,comparator,vith,gm,ro,cth,rth,cthp,vref,r1,r2,c1,kref(s,igm,veain,il x rds(on,ith,eain,補償網(wǎng)絡(luò),誤差放大器,谷點電流模式控制buck變換器,buck,vith,io,il,il x rds(on,vith = il x rds(on,上管導(dǎo)通固定時間,下管變化導(dǎo)通時間,下管變化導(dǎo)通時間調(diào)節(jié)輸出電壓vo,上管驅(qū)動信號,buck,同步管開始導(dǎo)通,同步管關(guān)斷,il,io,谷點電流

12、模式 負載從0a跳到5a,峰值電流模式 負載從0a跳到5a,從當前的脈沖周期響應(yīng),從下一個脈沖周期響應(yīng),快速負載響應(yīng):電感的電流波形,buck,兩種控制 定頻工作: 時鐘沿關(guān)斷功率管，谷點電流處開通功率管 變頻工作:開通功率管，到固定的導(dǎo)通時間時關(guān)斷功率管，谷點電流處開通功率管 變頻工作 1 寬輸入電壓 2 不需要電流檢測電阻，快響應(yīng) 3 低占空比易檢測電流 4 變頻工作電感設(shè)計不易優(yōu)化 5 要限制高的占空比和最大頻率 6 多相工作不能準確均流，多相工作pcb設(shè)計要仔細,buck,谷點電流模式控制buck變換器,1 電流模式僅需陶瓷輸出電容和ic vc管腳處簡單rc網(wǎng)絡(luò)就能對兩個以上輸出負載瞬態(tài)作出穩(wěn)定響應(yīng)。 與電壓