模塊電源的替代設(shè)計(jì)

1、1模塊電源的替代設(shè)計(jì)模塊電源的替代設(shè)計(jì)模塊電源應(yīng)用模塊電源應(yīng)用n通信電源,基礎(chǔ)設(shè)施的電源系統(tǒng)n分配式電源架構(gòu)(POL)n特點(diǎn) 磚結(jié)構(gòu),不需要專門設(shè)計(jì),應(yīng)用簡(jiǎn)單 成本高 內(nèi)部實(shí)質(zhì)上仍是采用分立的PWM控制器和功率開關(guān)管2n板級(jí)分立方案 隔離方案 反激拓樸結(jié)構(gòu)PWM控制IC 正激拓樸結(jié)構(gòu) PWM控制IC 全橋拓樸結(jié)構(gòu) PWM控制IC 非隔離方案 Buck或同步Buck拓樸結(jié)構(gòu) PWM控制IC模塊電源的替代設(shè)計(jì)模塊電源的替代設(shè)計(jì)3模塊電源的替代設(shè)計(jì)模塊電源的替代設(shè)計(jì)n2種方案比較 通用模塊電源通用模塊電源板級(jí)分立方案板級(jí)分立方案靈活性靈活性一般一般很強(qiáng)很強(qiáng),適用各種且方案可適用各種且方案可移植移植尺

2、寸尺寸大大較小較小元件數(shù)量元件數(shù)量很少很少,一個(gè)一個(gè),易管理易管理多多應(yīng)用及設(shè)計(jì)應(yīng)用及設(shè)計(jì)應(yīng)用簡(jiǎn)單應(yīng)用簡(jiǎn)單,不需要工程設(shè)計(jì)不需要工程設(shè)計(jì)較復(fù)雜較復(fù)雜,需要專門設(shè)計(jì)需要專門設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員要求對(duì)設(shè)計(jì)人員要求低低,不需要有電源設(shè)計(jì)能力不需要有電源設(shè)計(jì)能力較高較高,需要一定電源設(shè)計(jì)需要一定電源設(shè)計(jì)能力能力可靠性可靠性差差一般一般設(shè)計(jì)周期設(shè)計(jì)周期短短較長(zhǎng)較長(zhǎng)成本成本高高很低很低4Step-Down/Buck變換器設(shè)計(jì)變換器設(shè)計(jì)VinLCRVo同步Buck變換器:1 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)2 高效率5Step-Down/Buck變換器設(shè)計(jì)變換器設(shè)計(jì)操作控制技術(shù)模式操作控制技

3、術(shù)模式6n在重負(fù)載電流時(shí)在重負(fù)載電流時(shí)IAVE 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,恒定開關(guān)頻率工作恒定開關(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)輸出由于開關(guān)頻率固定，噪聲頻譜固由于開關(guān)頻率固定，噪聲頻譜固定，噪聲頻譜相對(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。VinLCrcRVoPWMdCCM連續(xù)電流模式連續(xù)電流模式7VinLCrcRVoPWMd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 IRipplen電感

4、的電流電感的電流(能量能量)完全放電到完全放電到0 在電流降到在電流降到0時(shí)刻，二極管阻擋電時(shí)刻，二極管阻擋電流的反向流動(dòng)，電感的電壓降到流的反向流動(dòng)，電感的電壓降到0n開關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比開關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比 負(fù)載進(jìn)一步減小時(shí)進(jìn)入變頻操作負(fù)載進(jìn)一步減小時(shí)進(jìn)入變頻操作DCM不連續(xù)電流模式不連續(xù)電流模式8n在輕負(fù)載電流時(shí)三種工作模式在輕負(fù)載電流時(shí)三種工作模式Forced Continuous ModePulse Skip Mode(定頻定頻DCM)Burst Mode輕負(fù)載電流工作模式輕負(fù)載電流工作模式9Forced Continuous Moden電感中的電流在一個(gè)開關(guān)周期一定的時(shí)電感

5、中的電流在一個(gè)開關(guān)周期一定的時(shí)間內(nèi)可以反向流動(dòng)間內(nèi)可以反向流動(dòng)u電流在功率開關(guān)管正反向流動(dòng)產(chǎn)生功電流在功率開關(guān)管正反向流動(dòng)產(chǎn)生功率消耗從而降低效率率消耗從而降低效率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)u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u適合于通訊等要求干擾噪聲低的應(yīng)用適合于通訊等要求干擾噪聲低的應(yīng)用10Pulse Skipping Moden允許調(diào)節(jié)器跳掉一些不需要的脈沖，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從而極大的提高輕載的效率 u一個(gè)脈沖將對(duì)輸出電容充電維持足夠一個(gè)脈沖將對(duì)輸

6、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)的輸出能量從而可以跳掉一個(gè)或幾個(gè)脈沖脈沖u當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)的閾值電壓以下當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)的閾值電壓以下時(shí)一個(gè)新的脈沖開始時(shí)一個(gè)新的脈沖開始n輸出電壓紋波頻率與負(fù)載電壓成正比輸出電壓紋波頻率與負(fù)載電壓成正比n在脈沖之間只有靜態(tài)電流在脈沖之間只有靜態(tài)電流Iq產(chǎn)生的功產(chǎn)生的功耗耗n只對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理，不需要對(duì)檢只對(duì)輸出電壓進(jìn)行處理，不需要對(duì)檢測(cè)的電流進(jìn)行處理測(cè)的電流進(jìn)行處理u提高了輕載時(shí)效率但噪聲大，因?yàn)閷?shí)際的開關(guān)頻率不固定。提高了輕載時(shí)效率但噪聲大，因?yàn)閷?shí)際的開關(guān)頻率不固定。11Burst Mode Operationn縮短激活模式的時(shí)間，從

7、而延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)縮短激活模式的時(shí)間，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)待機(jī)的時(shí)間的時(shí)間u最低的靜態(tài)電流最低的靜態(tài)電流Iq功率損耗功率損耗n準(zhǔn)準(zhǔn)disable控制器，直到輸出電壓到達(dá)設(shè)定的控制器，直到輸出電壓到達(dá)設(shè)定的下限閾值電壓下限閾值電壓u滯回控制滯回控制n用脈沖突發(fā)抬高輸出電壓直到輸出電壓到用脈沖突發(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。達(dá)設(shè)定的上限閾值電壓。三種模式中噪聲最大三種模式中噪聲最大需要電流檢測(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)。 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)。保持低電流的工作，直到輸出電壓

8、降到足夠低要求另一次的電流突發(fā)。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)。12Burst Mode vs. Pulse Skip mode (Vout and IL)Burst modePulse skip moden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13nBurst Mode具有最高的輕載效率，其次是具有最高的輕載效率，其次是 Pulse Skip Mode，F(xiàn)orced Continuous Mode輕載效率最低輕載效率最低nFor

9、ced Continuous Mode具有最好輕載調(diào)整率，其次具有最好輕載調(diào)整率，其次 Pulse Skip Mode， Burst Mode輕載調(diào)整率最差輕載調(diào)整率最差效率與輕載調(diào)整率效率與輕載調(diào)整率14Forced ContinuousPulse SkippingBurst輕載效率輕載效率OkayGoodBest負(fù)載調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率BestGoodOkay噪聲噪聲BestGoodOkay結(jié)論結(jié)論15VinLCrcRVoPWMddComparatorslopeComp.VrefR1R2誤差放大器補(bǔ)償誤差放大器補(bǔ)償A(s)功率級(jí)：控制對(duì)輸出功率級(jí)：控制對(duì)輸出vcVCslopedTsTsVFBd

10、=kVc電壓模式控制電壓模式控制BUCK變換器變換器16優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):n不需要精密的電流檢測(cè)電阻不需要精密的電流檢測(cè)電阻缺點(diǎn)缺點(diǎn)n環(huán)路增益是輸入電壓的函數(shù)環(huán)路增益是輸入電壓的函數(shù),需要輸入電壓前饋需要輸入電壓前饋n環(huán)路增益是輸出電容環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)的函數(shù),需要仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路需要仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路n電流檢測(cè)電流檢測(cè)/限流控制緩慢不準(zhǔn)確限流控制緩慢不準(zhǔn)確n如果多個(gè)電源和多個(gè)并聯(lián)相位操作如果多個(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變變換器換器17VinLCrcRsenseRVoPWMdvodComparatorslope

11、compvcgmRoCthRthCthpCompensationNetworkVrefR1R2C1C2Kref(s)igmveainiL feedbackITHEAINKiError Op-Amp內(nèi)在固有的脈沖峰值限流內(nèi)在固有的脈沖峰值限流電感電流真正的軟起動(dòng)電感電流真正的軟起動(dòng)精確的電流檢測(cè)環(huán)精確的電流檢測(cè)環(huán)對(duì)于所有陶冶電容容易設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)對(duì)于所有陶冶電容容易設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路路C電流模式控制電流模式控制BUCK變換器變換器18u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):精確精確/快速脈沖限流快速脈沖限流真正的電感電流軟起始真正的電感電流軟起始容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)相位容易實(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多個(gè)變換器并聯(lián)操作得

12、到更大輸出電流精確精確/快速的電流均流快速的電流均流可靠性高可靠性高u缺點(diǎn)缺點(diǎn):u需要精密的電流檢測(cè)電阻需要精密的電流檢測(cè)電阻,影響效率和成本影響效率和成本電流模式控制電流模式控制BUCK變換器變換器19電流式拓樸結(jié)構(gòu)僅需陶瓷輸出電容和IC VC管腳處簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)，就能對(duì)兩個(gè)輸出上的負(fù)載瞬態(tài)作出穩(wěn)定響應(yīng)。與電壓式控制器拓樸相比，這種拓樸結(jié)構(gòu)更省空間、省成本。 電壓式控制器拓樸需要額外的補(bǔ)償器件來優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。典型的電壓式控制器需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路，并維持良好的高頻響應(yīng)。在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，輸出電壓的波動(dòng)也更大。因此，

13、帶有陶瓷電容的電流式步降開關(guān)調(diào)節(jié)器比常用的電壓模式結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、體積更小、價(jià)格更便宜。 n電流模式和電壓模式比較電流模式和電壓模式比較20LCrcRVoPWMdvodComparatorvIthgmRoCthRthCthpCompensationNetworkVrefR1R2C1Kref(s)igmveainiL x Rds(on)ITHEAINError Op-Amp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21VIth IoiLiL X Rds(on)VIth = iL X Rds(on)上管恒定導(dǎo)通時(shí)間上管恒定導(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)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22iLIo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23優(yōu)化高降壓比的優(yōu)化高降壓比的BUCK設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)u優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):寬的輸入寬的輸入電壓電壓范圍范圍不需要電流檢測(cè)電阻不