DCDC電路工作原理詳解及TPS54331使用詳解

1、 DC&DC BUCK電路工作原理簡單分析及標(biāo)準(zhǔn)電路討論1、 DC&DC 工作原理簡單介紹（1） DC&DC的分類：根據(jù)電壓是升壓還是降壓，DC&DC可以分為BUCK（降壓）、BOOST（升壓）、BUCK-BOOST（升將壓）。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：（2） BUCK電路的簡單原理介紹圖中Q1可以更換為MOS管，D1也可以更換為MOS管。如果D1是二極管，則該BUCK為非同步，如果D1換為MOS管，則該MOS管也需要PWM驅(qū)動周期性的開關(guān)，此時(shí)該buck電路為同步。我們使用的54331為非同步DC&DC。當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，儲能電感L1被充

2、磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，電感兩端產(chǎn)生左正右負(fù)的電動勢阻止電流上升，同時(shí)給電容C1充電，給負(fù)載R1提供能量。當(dāng)開關(guān)管Q1驅(qū)動為低電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，儲能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，電感兩端產(chǎn)生左負(fù)有正反向電動勢阻止電流的下降，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持。這里面利用了電感的磁性特性，電感的兩端電流不能突變，只能緩慢上升或者下降。在開關(guān)1打開期間，電能轉(zhuǎn)換為磁能，在開關(guān)1關(guān)斷期間，磁能又轉(zhuǎn)化為電能。在電感進(jìn)行儲能和釋能時(shí)，電感的正負(fù)極會發(fā)生反向。（3） 簡單的名詞解釋 電感的伏秒積平衡：伏秒數(shù)也稱為伏秒積，即電感兩端的電壓V和開關(guān)開通或關(guān)斷時(shí)間T二者的

3、乘積。當(dāng)開關(guān)電源電路處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量最終為零，即開關(guān)導(dǎo)通時(shí)通過電感的電流增加量和開關(guān)斷開時(shí)電感的電流減少量是相等的。換句話說，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的開關(guān)電路中，一個(gè)周期因開關(guān)作用被分為兩段，其中開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流在增加，開關(guān)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電感電流在減少，那么在一個(gè)周期內(nèi)，電流的增加量與電流的減少量是相等的。根據(jù)電感的這個(gè)特性，我們可以得到一些計(jì)算的公式：上面的計(jì)算公式都是基于理想情況下，忽略了MOS管和二極管損耗，可在電路分析時(shí)做近似運(yùn)算。 其中占空比可以通過測量PH腳（54331）的波形來得到，理想的占空比應(yīng)該是穩(wěn)定的。CCM模式：連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電

4、感電流從不會到0?；蛘哒f電感從不“復(fù)位”，意味著在開關(guān)周期內(nèi)電感磁通從不回到0，功率管閉合時(shí)，線圈中還有電流流過。TPS54331工作在CCM模式下，部分波形如下：反饋回路及其穩(wěn)定性：DC&DC及后面講的線性穩(wěn)壓器都使用反饋回路（Feedback Loop）以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋信號在通過回路后都會在增益和相位上有所改變。輸出電壓是通過電阻分壓器進(jìn)行采樣的，并且該分壓信號反饋到誤差放大器的一個(gè)輸入端，誤差放大器的另一個(gè)輸入端接參考電壓，誤差放大器將會調(diào)整輸出到導(dǎo)通管的輸出電流以保持直流電壓（DC Valtage）的穩(wěn)定輸出。為了達(dá)到穩(wěn)定的回路就必須使用負(fù)反饋（Negative Fe

5、edback）。負(fù)反饋，有時(shí)亦稱為改變極性的反饋（degenerative feedback），與源信號的極性相反。負(fù)反饋與源（Source）的極性相反，它總會阻止輸出的任何變化。也就是說，如果輸出電壓想要變高（或變低），負(fù)反饋回路總會阻止，強(qiáng)制其回到正常值。 信號經(jīng)過回路后會在相位上產(chǎn)生漂移，相位偏移就是反饋信號經(jīng)過整個(gè)回路后出現(xiàn)的相位改變（Phase Change）的總和（相對起始點(diǎn)）。相位偏移，單位用度（Degrees）表示，通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（network analyzer）測量。理想的負(fù)反饋信號與源信號相位差180°?？梢钥吹?，從180°開始，增加180

6、6;的相移，信號相位回到零度，就會使反饋信號與源信號的相位相同，從而使回路不穩(wěn)定。為了反饋回路的穩(wěn)定性，相位偏移越小越好，相位裕度（Phase Margin，單位：度），定義為頻率的回路增益等 0dB（單位增益，Unity Gain）時(shí)，反饋信號總的相位偏移與180°的差。一個(gè)穩(wěn)定的回路一般需要20°的相位裕度（我們一般要求應(yīng)該做到40度以上）。這就是TPS54331等DC&DC增加補(bǔ)償網(wǎng)路的原因，提高系統(tǒng)的帶寬，增加相位裕度，提高反饋回路的穩(wěn)定性。下圖是一個(gè)典型DC&DC buck電路的負(fù)反饋環(huán)路：反饋電阻形成的增益進(jìn)入誤差放大器，與參考電壓進(jìn)行比較，形成

7、一個(gè)誤差放大信號，通過補(bǔ)償網(wǎng)路后形成一個(gè)電壓控制信號，然后該電壓控制信號與DC&DC內(nèi)部自激產(chǎn)生的鋸齒波一塊形成PWM控制信號，來控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷。二、標(biāo)準(zhǔn)電路圖分析及討論：TPS54331手冊推薦典型電路：從兩個(gè)電路圖對比分析各個(gè)參數(shù)：（1）輸入電容：手冊推薦2個(gè)4.7uF的去耦電容和1個(gè)0.01uF的濾波電容，兩種電容材質(zhì)都推薦ESR較小的X5R或者X7R的電容，其中耐壓值根據(jù)最大輸入值選擇50V，最大紋波電流根據(jù)電流輸入值選擇大于3A。我們目前LM50輸入電壓為12V，使用的是去耦電容為22uF，CC1206KKX5R8BB226。此電容的耐壓值為25V，較貴，可以換為耐

8、壓為16V的；旁路（濾波電容）電容選擇的是0.1uf，CC0805KRX7R9BB104，耐壓值為50V；后期標(biāo)準(zhǔn)電路還可以考慮再加一個(gè)0.01uf的濾波電容，形成幾個(gè)數(shù)量級的電容并聯(lián)。（2）EN使能腳：根據(jù)手冊推薦，設(shè)計(jì)了一個(gè)欠壓鎖定遲滯電路，目前我們的電路參數(shù)設(shè)計(jì)的啟動電壓為5V，停止電壓4V。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)，結(jié)合手冊的給出的公式，算出了，R125=130K，R128=360K。其中Ven=1.25V。需要注意的是，Ven腳的電壓不能超過5V。同時(shí)由于Ven、內(nèi)部電流源和電阻都具有離散性，設(shè)計(jì)出的啟動電壓和停止電壓都會有一定的離散性。在實(shí)際應(yīng)用過程中要注意。（3） 可配置的緩啟動SS腳：內(nèi)

9、部結(jié)構(gòu)如如下，SS腳的電壓和內(nèi)部參考電壓共同提供誤差放大器的參考電壓，SS腳的對地電容可以起到一個(gè)延緩啟動的作用，TPS54331內(nèi)部有一個(gè)上拉2uA的電流源可以對電容進(jìn)行充電。該根據(jù)手冊的計(jì)算公式，其中Vref=0.8V，Iss=2uA。同時(shí)結(jié)合手冊中的說明：我們可以選取緩啟動的時(shí)間為4ms，Css=10nF。（4） boot腳：boot腳對PH腳手冊推薦0.1uF的電容，該電容的作用對DC&DC上管MOS管Vgs提供開啟電壓。手冊上推薦使用X5R或X7R的陶瓷電容，我們選擇CC0805KRX7R9BB104。（5） 輸出電壓計(jì)算：根據(jù)手冊推薦的公式：上面的公式推導(dǎo)也比較簡單，根據(jù)前

10、面負(fù)反饋提到的，其實(shí)DC&DC最初設(shè)計(jì)想讓輸出電壓經(jīng)過分壓網(wǎng)路后值等于Vref，因此Vref=Vout*R6/R5+R6，因此有了上面的公式。其中Vref=0.8V。我們設(shè)計(jì)的輸出是3.3V，根據(jù)上面的公式可以算出R5(R131)=10K，R6（R136+R138）=3K+200R=3.2K。這個(gè)地方需要注意的是，由于VREF存在誤差，手冊中給出的數(shù)據(jù)如下同時(shí)，分壓電阻也會存在誤差，因此實(shí)際輸出的值與理論值會有差異，需要根據(jù)輸出電壓的要求來選擇具體參數(shù)。（6） 輸出電感的選擇：DC&DC由于電感的飽和會有一個(gè)最小的電感的概念，根據(jù)手冊上的推薦公式： 其中KIND是電感的紋波電流

11、占輸出電流的比例，一般按照10%40%計(jì)算。54331手冊中是按照0.2和0.3計(jì)算的，如果輸出電容的ESR較大，可以選擇Kind=0.2計(jì)算，如果ESR比較小，可以選擇0.3計(jì)算。其中手冊中給出的計(jì)算值6.8uH是基于下面的條件算出的，實(shí)際中，電感紋波電流的大小和電感是成反比，我們可以稍微增大下電感值，但不能太大，如果電感值太大會造成瞬態(tài)響應(yīng)速度變慢，還有可能會造成反饋環(huán)路的不穩(wěn)定。手冊中給出的推薦范圍為6.8uH到47uH。我們使用的是47uH，同時(shí)，選定了電感值以后，還要選擇電感的參數(shù)。講LOUT=47uH帶入，計(jì)算出的電感的均方根電流為IL（rms）（額定電流）=3A，IL（peak）

12、（電感飽和電流）=3.06A。上述的電感值是按照輸出電流是3A計(jì)算的，如果負(fù)載電流不是3A，也可以套用上面公式進(jìn)行計(jì)算，LM50目前上用的由于負(fù)載電流都比較小，再幾百mA左右，因此電感的額定電流選的比較小。47uH的電感做到額定電流3A還是比較困難，體積會比較大。因此如果涉及到負(fù)載電流比較大的情況，可以按照手冊上推薦的值適當(dāng)選擇小一些的電感。為了長期工作穩(wěn)定性，電感的電流設(shè)計(jì)應(yīng)該留有一定余量，一般可以選擇電感的飽和電流為負(fù)載電流的1.52倍。 這里再說下電感的一些特性，之前我們也提到了DC&DC利用了電感的儲能和電流不能突變的特性。電感還有其他一些特性：電感的飽和：隨著通過電感的電流增

13、加，它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少就很重要了：如果電感量減小很多，轉(zhuǎn)換器就不會正常工作了。當(dāng)通過電感的電流大到電感實(shí)效的程度，此時(shí)的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數(shù)。當(dāng)電流增加到一定程度后，電感量就不會急劇下降了，這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加，電感就會損壞了。有了這個(gè)軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會規(guī)定在DC輸出電流下的最小電感量。電感的紋波電流：根據(jù)前面電感的伏秒積平衡計(jì)算的公式，可以得到紋波電流的計(jì)算公式。電感的值就是根據(jù)紋波電流算出來的。其中IPP是電感紋波電流，IDC是電感的平均電流。通過上面的公式也可以得

14、出Ipeak=Idc+IPP/2。電感的紋波電流越大，電感上耗散的功率就越大，增加EMI同時(shí)也會造成輸出的紋波越大，又由于I與電感成反比，從這個(gè)角度看，電感越大越好。但是，電感越大，會造成反饋回路不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，而且還存在電感越大，尺寸越大的問題。電感過小會降低輸出電流，效率，產(chǎn)生較大的輸入紋波。因此，在選擇電感式，要從功耗和電感尺寸、電感量上折中選擇。電感嘯叫：基本理念是聽覺范圍內(nèi)的諧波才會被聽到.但是一般開關(guān)電源開關(guān)頻率只要不在20K范圍內(nèi),其諧波含量均不會引起較大噪聲.但是這個(gè)理論是基于開關(guān)電源開關(guān)頻率比較穩(wěn)定的情況下. 所以說,如果開關(guān)電源占空比不穩(wěn)定,其產(chǎn)生的諧波就有

15、可能在20K之內(nèi)并且幅度較大,這樣就能引起聽覺效應(yīng)。解決方法有兩個(gè)：一、從根本解決,占空比的不穩(wěn)定一般是控制環(huán)路的小信號被噪聲干擾.DC/DC的占空比需要調(diào)節(jié)到很穩(wěn)定；二、如果是電感響,也有可能是磁芯的磁滯伸縮引起的.可對電感浸膠。（7） 輸出電容的選擇：手冊中推薦的輸出電容是2個(gè)47uF的電容，我們用了一個(gè)22uF和10uF的電容，還有一個(gè)0.1uF的濾波電容，都是X5R的電容。 電容的參數(shù)需要注意三個(gè)因素：電容的耐壓值、最大紋波電流、ESR。電容的ESR和電感的紋波電流共同決定的了輸出的紋波電壓大小。TPS54331對于輸出電容并沒有嚴(yán)格的限制，我們設(shè)計(jì)的范圍很寬，為了盡可能降低紋波電壓，

16、應(yīng)該選取低ESR的電容，X5R或者X7R；電容的耐壓值要大于輸出電壓1.52倍，以保證電容能正常工作；考慮濾波的需求，可以幾個(gè)數(shù)量級的電容并聯(lián)，對多個(gè)頻率的雜波進(jìn)行濾除。目前我們使用輸出電容滿足設(shè)計(jì)要求，輸出紋波一般都在10mv以下。（8） 補(bǔ)償網(wǎng)路的設(shè)計(jì)：TPS54331是CURRENT MODE，電流模式控制，因此補(bǔ)償網(wǎng)路設(shè)計(jì)比較簡單，采用II型補(bǔ)償，補(bǔ)償網(wǎng)路可以參考手冊中給出的值，LM50電路采用了手冊推薦的值。手冊中有關(guān)于補(bǔ)償網(wǎng)路的相關(guān)計(jì)算公式，大家有興趣的可以自己計(jì)算一下。補(bǔ)償網(wǎng)路的設(shè)計(jì)好壞對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)影響很大。如果我們在設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)整了相關(guān)輸出濾波網(wǎng)路的參數(shù)，電感或者電容，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變得很慢，由輕載到重載或者由重載到輕載變化比較慢，可以試著微調(diào)下補(bǔ)償網(wǎng)路，可能會有改善。（9） 續(xù)流二極管的選擇：二極管的反向耐壓應(yīng)大于Vinmax+0.5V，正向PEA