buck電路原理

1、1 Power Supply電源電源By Adlsong2放電放電電池電池nLi+/Li-Poly 34.2VnNiMH/Akaline 0.91.5Vn太陽(yáng)能/燃燒電池 n作用 主/背份電源n類(lèi)型 初級(jí) 次級(jí)n管理 保護(hù) Gas Gauge 安全功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換負(fù)載負(fù)載充電充電電源n適配器 5V/9V/12V/24V 精度10% 開(kāi)關(guān) 汽車(chē)插頭nUSB 4.5V5.25V 電流100/500mAnRF IC 要求低噪聲n標(biāo)準(zhǔn)IC 5V/3.3V/2.5V/1.8V Vcoren顯示 LED/Flash LCD/OLED/EL Bias CCFLn馬達(dá)/感性 Vibrator HDDnUSB

2、Host PortsnOthers TunerPOWER SUPPLYPOWER SUPPLY3CHOOSE TOPOLOGYCHOOSE TOPOLOGYTopoLDOInductor BaseBuckBoostSepicCukBuckBoost4開(kāi)關(guān)BuckBoostVo Vin升壓 Vo Vin降壓 Vinmin VoVinmax升降壓 Vo IRipplen電感的電流總是由正方向流動(dòng)電感的電流總是由正方向流動(dòng)電流不會(huì)降到電流不會(huì)降到0nPWM控制控制,恒定開(kāi)關(guān)頻率工作恒定開(kāi)關(guān)頻率工作改變占空式調(diào)節(jié)輸出改變占空式調(diào)節(jié)輸出由于開(kāi)關(guān)頻率固定，噪聲頻譜固由于開(kāi)關(guān)頻率固定，噪聲頻譜固定，噪聲頻譜

3、相對(duì)窄，使用簡(jiǎn)單定，噪聲頻譜相對(duì)窄，使用簡(jiǎn)單濾波技術(shù)就可以極大程度的減小濾波技術(shù)就可以極大程度的減小峰峰電壓紋波。峰峰電壓紋波。BUCKBUCKCCM連續(xù)電流模式連續(xù)電流模式12噪聲不容易濾除噪聲不容易濾除n在輕負(fù)載電流時(shí)在輕負(fù)載電流時(shí)IAVE Io時(shí)Cout 充電方法2: 積累電荷方法1: 在充電時(shí)間積分218)1 (2221SoutfooutosLpkfCLVDCQUTIQ 考慮ESR:SfoLpkofLESRVDIESRU)1 (222218)1 (11SoutfoTonTonToffTonTonCCofCLVDdtiCdtiCUBUCKBUCK 最?lèi)毫忧闆r: U = UO1 + UO2

4、15SfoinLofLDVVII2)(21max臨界工作模式臨界工作模式(介于介于DCM和和CCM邊界邊界)DCMooininSSoffonLoVVVVLfDTTTII2212max)1 ()(DDDVVTDTVDVVTDTinoSSooinSoffSfoinLofLDVVII2)(21max1 伏秒值平衡伏秒值平衡2 功率平衡功率平衡BUCKBUCK16同步Buck變換器1 續(xù)流二極管換為功率MOSFET2 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(zhǎng)時(shí)間3 高效率BUCKBUCK大的輸出電流時(shí),同步管用幾個(gè)MOSFET并聯(lián)以減小導(dǎo)通電阻同時(shí)有利于散熱17功率MOSFET VDDS V

5、inmax ， IDmax Io+I/2BUCKBUCK元件選取元件選取續(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 ， I = 0.20.4 IO ， 飽和電流Isat Io+I/2PCB：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(diǎn)地18BUCK變換器輕載時(shí)操作控制技術(shù)變換器輕載時(shí)操作控制技術(shù)BUCKBUCK1 強(qiáng)迫強(qiáng)迫CCM模式模式2 跳脈沖模式跳脈沖模式(定頻定頻DCM到變頻到變頻)3 突發(fā)模式突發(fā)模式Burst Mode19n電感中的電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的某一段時(shí)間內(nèi)可以反向流

6、動(dòng)n允許電感電流反向流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)允許電感電流反向流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)輸出紋波電壓和頻率在整個(gè)負(fù)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0BUCKBUCKn強(qiáng)迫強(qiáng)迫CCMCCM模式模式n對(duì)于同步BUCK當(dāng)電感的電流為0時(shí),同步MOSFET仍然導(dǎo)通, 電感電流反向激磁, 電感電流反向流動(dòng)n環(huán)流產(chǎn)生功率消耗從而降低效率20n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n一個(gè)脈沖將對(duì)輸出電容充電維持足夠的輸出能量，從而可以跳掉一個(gè)或幾個(gè)脈沖。當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)的閾值電壓以下時(shí)，一個(gè)新的脈沖開(kāi)始n輸出電壓紋波頻率與負(fù)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(duì)輸出電壓進(jìn)行處

7、理，不需要對(duì)檢測(cè)的電流進(jìn)行處理n提高了輕載時(shí)效率但噪聲大，因?yàn)閷?shí)際的開(kāi)關(guān)頻率不固定0BUCKBUCKn跳脈沖模式跳脈沖模式21n縮短激活模式的時(shí)間，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)的時(shí)間，最低的靜態(tài)電流Iq功率損耗n準(zhǔn)disable控制器，直到輸出電壓到達(dá)設(shè)定的下限閾值電壓，滯回控制n用脈沖突發(fā)抬高輸出電壓直到輸出電壓到達(dá)設(shè)定的上限閾值電壓n三種模式中噪聲最大n需要電流檢測(cè)當(dāng)要求的輸出電流降到內(nèi)部設(shè)定的閾值時(shí)。需要電流檢測(cè)當(dāng)要求的輸出電流降到內(nèi)部設(shè)定的閾值時(shí)。 n元件關(guān)斷內(nèi)部的振蕩器進(jìn)入低電流工作狀態(tài)元件關(guān)斷內(nèi)部的振蕩器進(jìn)入低電流工作狀態(tài)n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)保持低電流

8、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)BUCKBUCKn突發(fā)模式突發(fā)模式22突發(fā)模式突發(fā)模式跳脈沖模式跳脈沖模式n提供最好的低負(fù)載電流效率提供最好的低負(fù)載電流效率n但輸出電壓紋波高但輸出電壓紋波高n提供最低的輸出電壓電流紋波提供最低的輸出電壓電流紋波n但低負(fù)載電流效率差但低負(fù)載電流效率差BUCKBUCK23n突發(fā)模式具有最高輕載效率，其次是跳脈沖模式，強(qiáng)迫突發(fā)模式具有最高輕載效率，其次是跳脈沖模式，強(qiáng)迫CCM模式輕載模式輕載效率最低效率最低n強(qiáng)迫強(qiáng)迫CCM模式具有最好輕載調(diào)整率，其次跳脈沖模式，模式具有最好輕載調(diào)整率，其次跳脈沖模式， 突發(fā)模式輕突發(fā)模式輕載調(diào)整率最差載調(diào)整率最差效

9、率與輕載調(diào)整率效率與輕載調(diào)整率BUCKBUCK24BUCK變換器控制方法變換器控制方法BUCKBUCK1 電壓模式電壓模式2 電流模式：峰值電流，平均電流，谷點(diǎn)電流電流模式：峰值電流，平均電流，谷點(diǎn)電流25VinLCrcRVoPWMddComparatorslopeComp.VrefR1R2誤差放大器補(bǔ)償誤差放大器補(bǔ)償功率級(jí)：控制對(duì)輸出功率級(jí)：控制對(duì)輸出vcVCslopedTsTsVFBd=kVc電壓模式控制電壓模式控制BUCK變換器變換器BUCKBUCK26BUCKBUCKn優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 不需要精密的電流檢測(cè)電阻供最缺點(diǎn)n缺點(diǎn)缺點(diǎn) 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

10、輸出電容ESR的函數(shù),需要仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路 3 電流檢測(cè)/限流控制緩慢不準(zhǔn)確 4 如果多個(gè)電源和多個(gè)并聯(lián)相位操作,需要外部電路進(jìn)行均流控制電壓模式控制電壓模式控制BUCK變換器變換器27VinLCrcRsenseRVoPWMdvod比較器比較器slope compvcgmRoCthRthCthp補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)VrefR1R2C1C2Kref(s)igmveainiL feedbackITHEAINKi誤差放大器誤差放大器峰值電流模式控制峰值電流模式控制BUCK變換器變換器BUCKBUCK28BUCKBUCKn優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 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(duì)于所有

11、陶冶電容容易設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路 4 易實(shí)現(xiàn)多個(gè)相位/多個(gè)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n缺點(diǎn)缺點(diǎn) 需要精密的電流檢測(cè)電阻,影響效率和成本峰值電流模式控制峰值電流模式控制BUCK變換器變換器29BUCKBUCKn優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 準(zhǔn)確的電流檢測(cè)n缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1 需在電流平均化處理，即電流誤差放大器。 2 響應(yīng)慢 3 需要精密的電流檢測(cè)電阻,影響效率和成本平均電流模式控制平均電流模式控制BUCK變換器變換器應(yīng)用應(yīng)用: APFC的的CCM模式模式30LCrcRVoPWMdvodComparatorvIthgmRoCthRthCthpVrefR1R2C1Kref(s)igmv

12、eainiL x Rds(on)ITHEAIN補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)誤差放大器谷點(diǎn)電流模式控制谷點(diǎn)電流模式控制BUCK變換器變換器BUCKBUCK31VIth IoiLiL X Rds(on)VIth = iL X Rds(on)上管導(dǎo)通固定時(shí)間上管導(dǎo)通固定時(shí)間下管變化導(dǎo)通時(shí)間下管變化導(dǎo)通時(shí)間下管變化導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)輸出電壓下管變化導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)輸出電壓VO上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)BUCKBUCK同步管開(kāi)始導(dǎo)通同步管開(kāi)始導(dǎo)通同步管關(guān)斷同步管關(guān)斷32iLIo谷點(diǎn)電流模式谷點(diǎn)電流模式負(fù)載從負(fù)載從0A跳到跳到5A峰值電流模式峰值電流模式負(fù)載從負(fù)載從0A跳到跳到5A從當(dāng)前的脈沖周期響應(yīng)從當(dāng)前的脈沖周期響應(yīng)從下一個(gè)脈沖周期

13、響應(yīng)從下一個(gè)脈沖周期響應(yīng)快速負(fù)載響應(yīng)快速負(fù)載響應(yīng):電感的電流波形電感的電流波形BUCKBUCK33n兩種控制兩種控制 定頻工作定頻工作: 時(shí)鐘沿關(guān)斷功率管，谷點(diǎn)電流處開(kāi)通功率管 變頻工作變頻工作:開(kāi)通功率管，到固定的導(dǎo)通時(shí)間時(shí)關(guān)斷功率管，谷點(diǎn)電流處開(kāi)通功率管 n變頻工作變頻工作 1 寬輸入電壓 2 不需要電流檢測(cè)電阻，快響應(yīng) 3 低占空比易檢測(cè)電流 4 變頻工作電感設(shè)計(jì)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(zhǔn)確均流，多相工作PCB設(shè)計(jì)要仔細(xì)BUCKBUCK谷點(diǎn)電流模式控制谷點(diǎn)電流模式控制BUCK變換器變換器341 電流模式僅需陶瓷輸出電容和IC VC管腳處簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò)就能對(duì)兩個(gè)以上輸出負(fù)載瞬態(tài)作出穩(wěn)定響