switching-power-supply-開(kāi)課件

1、Switching Power SupplyRegulationLine Regulation LIR=(Vo/Vo)*100%)/Vin 當(dāng)輸入電壓變化時(shí), 輸出電壓的變化率 單位: %/VLoad Regulation LOR=(Vo/Vo)*100%)/Io 當(dāng)輸出負(fù)載變化時(shí), 輸出電壓的變化率 單位:%/ACondition of good powerLine Regulation 當(dāng)輸入電壓變化時(shí),輸出電壓變化率 Load Regulation 當(dāng)輸出負(fù)載變化時(shí), 輸出電壓變化率Wide Input VoltageEfficiencyPower Density 單位體積,可以達(dá)到的瓦

2、特?cái)?shù) Hold-up time 當(dāng)輸出電壓off後, 輸出電壓可以維持的時(shí)間Linear Regulator由電晶體Q1 當(dāng)作一可變電阻Vout=Vin-VCE 當(dāng)RCE增加 VCE增加 Vout下降當(dāng)RCE下降 VCE下降 Vout上升優(yōu)點(diǎn):1. 線路控制簡(jiǎn)單2. Vout Ripple小缺點(diǎn):1. Q1易熱2. 效率差3. Regulation 差 Vout=Vin-VCEVinSwitching RegulatorVinVout以Q1當(dāng)作開(kāi)關(guān) 對(duì)Vin做高頻切割再透過(guò)L儲(chǔ)能及釋能傳輸至輸出端優(yōu)點(diǎn):1. 效率高2. Q1不易熱3. Regulation 好缺點(diǎn):1. 電路控制複雜2. Vo

3、ut Ripple大Buck ConverterVinVin-VSW(Vin-VSW)*DLC FilterBuck converter Stage 1SW closed ; D視為開(kāi)路 ; Vin 對(duì)電感 L 儲(chǔ)能 =Continue stage 1根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感儲(chǔ)能的電流 dt=儲(chǔ)能時(shí)間公式推導(dǎo):Vin=VL+Vo+VSW 但VSW很小 故VL=Vin-Vo又 VL=L di/dt所以 Vin-Vo=L IL/ton Buck converter Stage 2=SW opened; VL電壓反向; 強(qiáng)迫D導(dǎo)通; 電感將能量

4、釋放給RLContinue stage 2根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感釋能的電流 dt=釋能時(shí)間公式推導(dǎo):VL=Vo+VD 因?yàn)閂D很小 故VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo=L IL/toff VDCombine stage1 and stag2根據(jù)伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin-Vo ; VL-toff=Vo所以(Vin-Vo)*ton=Vo*toff=Vin*ton=Vo(ton+toff)所以Vo / Vin = ton / (ton+toff) = D(D為duty c

5、ycle 小於1 所以是降壓)Boost ConverterVinVin/(1-D)Vin+VLBoost converter stage 1SW Closed ; D是為開(kāi)路; Vin對(duì)L儲(chǔ)能=Continue stage 1根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感儲(chǔ)能的電流 dt=儲(chǔ)能時(shí)間公式推導(dǎo):Vin=VL+VSW因?yàn)?VSW很小 故 Vin=VL又 VL= L di/dt所以 Vin=L iL/tonVSWBoost converter stage 2SW opened; VL電壓反向 ; 電感 L 對(duì)RL釋能=Continue stage 2

6、根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感釋能的電流 dt=釋能時(shí)間公式推導(dǎo):Vin+VL=VD+Vout因?yàn)?VD很小 故 Vout Vin=VL又 VL= L di/dt所以 Vout-Vin=L iL/toff+-VDCombine stage 1 and stage 2根據(jù)伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin ; VL-toff=Vo-Vin所以Vin*ton=(Vo-Vin)*toff=Vin*(ton+toff)=Vo*toff所以Vo/Vin= (ton+toff) / toff =1/(1-D

7、)(D為duty cycle 小於1 所以是升壓)Buck-Boost ConverterVin-VswVL-D/(1-D)VinVinBuck-Boost converter stage 1=SW Closed; D是為開(kāi)路; Vin對(duì) L 儲(chǔ)能Continue stage1根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感儲(chǔ)能的電流 dt=儲(chǔ)能時(shí)間公式推導(dǎo):Vin=VL+VSW 但VSW很小 故VL=Vin又 VL=L di/dt所以 Vin=L IL/ton VSW+-Buck-Boost Converter stage 2=SW Opened; VL電壓反

8、向; D導(dǎo)通Continue stage 2根據(jù)冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對(duì)電感釋能的電流 dt=釋能時(shí)間公式推導(dǎo):-VL=-VD+Vo 因?yàn)閂D很小 故 -VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo= L IL/toff +-VDCombine stage1 and stage 2根據(jù)伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin ; -VL-toff=Vo所以Vin*ton=(-Vo)*toff=Vin*ton=-Vo*toff所以Vo/Vin= -ton/ toff =-D/1-D(當(dāng)D0.5是負(fù)升壓 當(dāng)

9、D=0.5是一倍負(fù)壓)VLVinVottontoffBuck current waveform Buck ConverterIL=Vo/RLIL=Imax-Imin=ton*(Vin-Vo)/L.ton =toff*Vo/L.toff Ic=ILIc=ILID=ILID=IL 僅在OFF STATE 存在ImaxILIminImaxIcIminImaxIDImintBuck Output Voltage RippleQ=C*V=I*T=Q=C*Vo=Ic*TVo=Q/C=(1/2) *( T/2 *1/2 IL) 底* 高 =(1/8)*(T*IL)/CIctQT/2ILBoost curre

10、nt waveformBoost converterPi=Vin*Iin=Vin*ILPo=(Vo)2)/RL假設(shè)efficiency=100%Pi=Po=Vin*IL=(Vo)2)/RL又Vo=Vin/(1-D)所以Vin*IL=(Vin/(1-D)2/RLIL=Vin/(1-D)2)*RL)ImaxIminILIc-maxIc-minID-maxID-mintBoost Output Voltage RippleQ =C*Vo=I*T =(Vo/RL)*ton=C*Vo =Vo=(Vo/RL)*ton/C =(Vo*ton)/(RL*C) -Vo/RLIcQtBuck-Boost Curr

11、entBuck-Boost ConverterPi=Vin*Iin 又Iin=D*IL所以 Pi=Vin*IL*DPo=(Vo)2)/RL假設(shè)efficiency=100%Pi=Po=Vin*IL*D=(Vo)2)/RL又 Vo = (Vin*D)/(1-D). 取正值所以Vin*IL*D=(Vin*D)/(1-D)2/RLIL=Vin*D/(1-D)2*RL)ImaxIminILIc-maxIc-minID-maxID-minBuck-Boost Output Voltage RippleQ =C*Vo=I*T =(Vo/RL)*ton=C*Vo =Vo=(Vo/RL)*ton/C =(Vo

12、*ton)/(RL*C) -Vo/RLIcQDiscussionBuck Vo=(1/8)*(T*IL)/C=IL/(8*f*C)Boost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)Buck-Boost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)Depend on f, C, Duty cycle, RL (忽略其它效應(yīng))How to choose the inductorBuck Regulator公式複習(xí):1.VL=L di/dt=L=VL dt/di2. Vo/Vin=Ton/(Ton+Toff)=DContinue.BuckVL=

13、L*di/dt =(Vin-Vo) =L=(Vin-Vo)*dt/di =(Vin-Vo)*ton/IL =(Vin-Vo)*(D*T)/ IL SW ON Stage:又 D=Vo/Vin所以 L=(Vin-Vo)*(Vo/Vin)*T )/IL =(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/f*IL.eq1ContinueBuckSW OFF Stage:VL=L di/dt = Vo =L=Vo*dt/di =Vo*toff/IL =(Vo*(1-D)*T)/IL 又 D=Vo/Vin所以 L=Vo*(1-Vo/Vin)*T/IL =Vo*(Vin-Vo)/Vin)*/f*IL =(Vin-Vo

14、)*(Vo/Vin)/f*IL.和eq1相同How to choose the inductorBoost Regulator公式複習(xí):1. VL=L di/dt2. Vo/Vin=1/(1-D)Continue.BoostSW ON Stage:VL=L di/dt = Vin = L= Vin dt/di=Vin* ton/IL =Vin*D*T/IL又 Vo/Vin=1/(1-D)=D=1-(Vin/Vo)所以 L=Vin*(1-(Vin/Vo)*T/IL = Vin*(1-(Vin/Vo)/IL*f =(Vin/Vo)*(Vo-Vin)/IL*f.eq1Continue.BoostSW

15、 OFF Stage:VL=L di/dt=(Vo-Vin) =L=(Vo-Vin)*dt/di =(Vo-Vin)*toff/IL =(Vo-Vin)*(1-D)*T/IL 又 Vo/Vin=1/(1-D)=1-D=Vin/Vo所以 L=(Vo-Vin)*(Vin/Vo)/IL*f .和eq1相同How to choose the inductorBuck-Boost公式複習(xí):VL= L di/dt2. Vo/Vin = D/(1-D) Continue .Buck-BoostSW ON Stage:VL=L di/dt= L=VL *dt/di =Vin*dt/di=Vin*D*T/IL又

16、Vo/Vin= D/(1-D) 所以 D=Vo/(Vin+Vo) L=(Vin*(Vo/(Vin+Vo)*T)/IL =Vin*Vo/(Vin+Vo)*f*IL).eq1Continue.Buck-BoostSW OFF Stage:VL= L di/dt = L= VL dt/di =Vo*(1-D)*T/IL 又Vo/Vin=D/1-D 所以 D=Vo/(Vin+Vo) 帶入 L=Vo*(1-(Vo/(Vin+Vo)*T/IL =(Vo*Vin)/(Vin+Vo)*f*IL).與eq1相同Discussion Buck L=(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/ f*ILBoost L=(V

17、o-Vin)*(Vin/Vo)/f*ILBuck-Boost L=(Vo*Vin)/(Vin+Vo)*f*IL) Depend on Vin, Vo, f, ILCapacitor ESR What is the ESR? ESR=equivalent series resistor等效串聯(lián)電阻ESR Issue造成輸出電壓Ripple 增加 VESR=Io * RESR造成Overshoot power on 或是Transient時(shí), 瞬間有一spike, 造成系統(tǒng)不穩(wěn)定降低POWER系統(tǒng)效率 損耗功率, 造成系統(tǒng)效率降低How to choose the Cout? Buck 根據(jù)之前討

18、論, Vo=IL/(8*f*C) 所以 C=IL/(8*f*Vo)eq1 Depend on f, Vo, IL 但是由於有ESR的效應(yīng), 所以 Vo=IL/(8*f*C) + Io*RESReq2 解決方式 1. 根據(jù)eq1算出電容值後,選擇 Low ESR電容 2.根據(jù)eq1算出電容值後, 選擇以數(shù)顆方式並聯(lián) How to choose the Cout?Boost 根據(jù)之前討論, Vo=(D*Vo)/(RL*C*f) 所以 C=D*Vo/(RL*f* Vo)eq1 Depend on f, Vo, Duty cycle 但是由於有ESR的效應(yīng), 所以 Vo=(D*Vo)/(RL*C*f)

19、 + Io*RESReq2 解決方式 1. 根據(jù)eq1算出電容值後,選擇 Low ESR電容 2.根據(jù)eq1算出電容值後, 選擇以數(shù)顆方式並聯(lián)How to choose the Cout?Buck-Boost 根據(jù)之前討論, Vo=(D*Vo)/(RL*C*f) 所以 C=D*Vo/(RL*f* Vo)eq1 Depend on f, Vo, Duty cycle 但是由於有ESR的效應(yīng), 所以 Vo=(D*Vo)/(RL*C*f) + Io*RESReq2 解決方式 1. 根據(jù)eq1算出電容值後,選擇Low ESR電容 2.根據(jù)eq1算出電容值後, 選擇以數(shù)顆方式並聯(lián)DiscussionRe

20、duce the ripple 1. Cout加大但成本增加 2. ESR降低.Overshoot增加 所以 用多顆較小電容方式並聯(lián)最可行 1. 價(jià)格較低 2. 控制ESR大小 How to increase the efficiencyThe Loss of Power Regulator 1. Conduction loss 尤其在低壓大電流時(shí)明顯 2. Switching loss 尤其在切換頻率高時(shí)明顯 To reduce the loss, and increase the efficiencyConduction lossInductor = DCR 電感會(huì)有所謂DCR(直流等效阻抗), 當(dāng)電流流過(guò)時(shí) PLOSS=I2*R 造成功率損失Switch = RCE-on/RDS-on 開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通時(shí), 在C-E or D-S間會(huì)有導(dǎo)通電阻, 當(dāng)電流流過(guò)時(shí), PLOSS=I2*R,造成功率損失Flying Diode= Turn-on voltage 飛輪二極體在導(dǎo)通時(shí), 有一導(dǎo)通電壓VD, 當(dāng)電流流過(guò)時(shí), PLOSS=I*V, 造成功率損失.Capacitor= ESR 電容會(huì)有一等效串聯(lián)電阻ESR, 當(dāng)電流充電時(shí)PLOSS=I2*R, 造成功率損失How to reduc