BUCK-電源工作原理

會計學1BUCK_電源工作原理2023/1/17..第1頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析：VinVoDLIoSSULILVin-Vo-VoIoD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡原則：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin*DL*ΔIo=Vo*(1-D)TIs根據(jù)L在1-D時間的基本方程：ΔIo=Vo*(1-D)T/L第2頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析.第3頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析電感電流：（開關(guān)管ON）

DeltaILon=(Vin-Vo)*Ton/L第4頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析電感電流：（開關(guān)管OFF）

DeltaILoff=Vo*Toff/L第5頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析電感電流：第6頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析輸出電容的電流波形：電感電流：輸出電容電流：要選擇工作紋波電流大，ESR小的輸出電容，為降低輸出紋波電壓，可用多個小容量的電容并聯(lián)使用。第7頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析根據(jù)負載大小變化，BUCK電源工作在CCM與DCM兩種狀態(tài)。CCM:ContinuousCurrentModeDCM:DiscontinuousCurrentMode在CCM模式，電感電流在整個周期內(nèi)都時連續(xù)的，Po=1/2*L*(IL12-IL22)在DCM模式，一個周期內(nèi)，有段時間電感電流為零。Po=1/2*L*IL2=V02/RIL=sqrt(2*Vo2/LR)=第8頁/共53頁2023/1/17兩種模式下的工作電流波形：.第9頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析電感電流波形：CCM第10頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析電感電流波形：DCM第11頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析由上可知，電感電流由直流（Io）和紋波電流（）兩部分組成；在CCM模式，電感電流隨負載電流變化，但紋波分量并不改變，由此可以看出負載變化時占空比不變。當負載減小到使電感電流從剛好零開始時，此為CCM與DCM轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)。進一步減小輸出負載，此時并不需要很大的電感電流維持輸出功率，電感開始減小，占空比也減小，而電感也在開關(guān)管下次導通之前電流降為零。電路進入DCM模式，在此模式下，占空比隨著負載變化而變化。第12頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析模式間轉(zhuǎn)換過程：DCM模式，電感電壓不為零？第13頁/共53頁2023/1/17Buck電路工作原理分析模式間轉(zhuǎn)換過程：第14頁/共53頁2023/1/17同步整流電路分析非同步整流電路結(jié)構(gòu)簡單，容易驅(qū)動，但因作為續(xù)流的肖特基二極管管壓降大，功率損耗較大，導致整個電源效率降低，所以一般用在輸出電壓較高，輸出電流較小的場合；而對于用在低電壓，大電流的場合，如CPU的供電電源則需用同步整流電路。第15頁/共53頁2023/1/17兩種電路比較：.第16頁/共53頁2023/1/17.同步電路應用實例：第17頁/共53頁2023/1/17同步整流電路特點：同步整流電路用下MOS管代替開關(guān)換器的續(xù)流二極管，其導通電阻小，大大降低了整流損耗，提高了電源效率。因下管作續(xù)流管用，所以要求其體二極管的反向恢復電荷小，柵極電阻小，用開關(guān)特性好等。為一避免上下管同時導通，要求兩管的驅(qū)動信號間須留有一死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)，電流從下管的體二極管內(nèi)流過，增加了損耗。第18頁/共53頁2023/1/17同步整流電路特點：在穩(wěn)態(tài)時，電感電流上升和下降的變化量是相等的，但上下管導通時間不同，兩管的電流有效值也不同，導通時間越長，電流有效值大，管子發(fā)熱也大。根據(jù)上圖計算上下管的電流有效值：

Irmsup/Irmsdn=sqrt(D/(1-D))Vcore=Vin*D=>D=Vcore/Vin=1.6/12=0.133代入上式：Irmsup/Irmsdn=sqrt(0.133/(1-0.133))=0.4Irmsdn=2.5Irmsup

所以下管必須用電流容量更大的管或雙管并聯(lián)。第19頁/共53頁2023/1/17.避免雙管同時導通：第20頁/共53頁2023/1/17多相變換器.第21頁/共53頁2023/1/17.多相變換器做優(yōu)點：將變換器產(chǎn)生的熱量分布在各相電路上，而且散熱面積大，不用散熱片。各相電流疊加后紋波減小，降低了輸出電壓紋波幅度，減少了輸出電容的數(shù)量。減小了單相大電流時多管并聯(lián)的設計難度和對磁芯的要求。降低了各相變換器的工作頻率，減小元件分布參數(shù)的影響及干擾。第22頁/共53頁2023/1/17CPU電源解析：.第23頁/共53頁2023/1/17主變換電路：.第24頁/共53頁2023/1/17電路分析：當電路中上管導通時，源極電壓等于電源輸入電壓，因此驅(qū)動管的柵極電壓=Vin+Vgs,IC不能直接驅(qū)動，IC內(nèi)部將上管的驅(qū)動路采用浮地的方式，外接自舉電容組成偏置電路來驅(qū)動上管。第25頁/共53頁2023/1/17上管驅(qū)動原理：．第26頁/共53頁2023/1/17.MOS管的驅(qū)動電路：第27頁/共53頁2023/1/17控制部分：.第28頁/共53頁2023/1/17PWM調(diào)制原理.第29頁/共53頁2023/1/17

PWM調(diào)制原理

CPU工作時會根據(jù)負荷的大小發(fā)出一組VID代碼給電源IC，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，得一模擬電壓值，即為CPU所需的工作電壓。電源IC以此電壓為參考值，將之與CPU實際電壓信號的差值進行放大，得到誤差信號Vcomp,再與電源IC內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波信號進行比較，產(chǎn)生PWM信號，控制開關(guān)管的關(guān)斷，使輸出電壓調(diào)整到符合VID相應的電位。第30頁/共53頁2023/1/17.穩(wěn)壓原理：第31頁/共53頁2023/1/17..第32頁/共53頁2023/1/17.限流檢測(限流）：第33頁/共53頁2023/1/17.電流檢測（通道平衡）：第34頁/共53頁2023/1/17主板電源類型：.第35頁/共53頁2023/1/17.通道電流平衡：為使每通道的達到熱平衡，需要每通道的電感電流大小一致，IC內(nèi)部處理方式：采樣每通道的電流，將各通道電流求和平均，與相電流相減，產(chǎn)生一個誤差信號Ier，再和Vcomp相減，調(diào)整各相PWM寬度，達到電流平衡，各相Ier為零時，則電流達到了平衡。電流平衡是通過檢測流過下管Rds(on)來實現(xiàn)的。第36頁/共53頁2023/1/17此外，為提高電源工作的可靠性，還需有UVP，OVP，OCP等功能，這此功能都集成到芯片內(nèi)部。第37頁/共53頁2023/1/17應用實例.第38頁/共53頁2023/1/17.輸出電壓Vo:IC內(nèi)部集成了一個有關(guān)0.9V基準電壓的誤差放大器,所以:Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V第39頁/共53頁2023/1/17.根據(jù)以下條件計算相關(guān)參數(shù)：Vin=5VVo=2.5VIo=3.0AFs=300KHz根據(jù)前面公式：Duty=Vo/Vin=2.5/5=0.5Ton=0.5/300000=1.67uS設：ΔIo=Io*10%=3.0*30%=0.9AL=(Vin-V0)*Ton/ΔIo=(5-2.5)*1.67/0.9=4.7uH第40頁/共53頁2023/1/17.Buck電路特點:效率高,可靠性好工作頻率高,使電路中電壓/電流波形的快瞬變化,產(chǎn)生電磁幅射干擾.元件布局和PCB布線難度較大.輸出電壓紋波比較大.電路復雜,成本高.第41頁/共53頁2023/1/17.線性電源第42頁/共53頁2023/1/17線性電源分類：.第43頁/共53頁2023/1/17線性電源線性電源特點：電路簡單，不會產(chǎn)生干擾，輸出紋波小，調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，功耗大，效率低，發(fā)熱量大，降低了元件的可靠性，因此線性適合用于輸入/輸出壓差小，電流小的場合。第44頁/共53頁2023/1/17線性電源：OP+MOS形式.第45頁/共53頁2023/1/17線性電源注意事項：

Vo=2.5*R585/(R584+R585)ID>IomaxPD>(Vin-Vo)*IomaxVg>Vo+Vgs保證漏源極間的壓差使MOS管工作在放大狀態(tài):當輸出為靜態(tài)負載時，可在IC一二腳間并聯(lián)一小電容，減小輸出紋波；動態(tài)負載時則不需此電容，以提高電路的動態(tài)響態(tài)速度。第46頁/共53頁2023/1/17

MOS管的工作狀態(tài)：

vDS/V

iD第47頁/共53頁2023/1/17.線性電源第48頁/共53頁2023/1/17.求復合管的輸出電壓：根據(jù)上圖得NPN管的Vb=R235/(r234+R235)=2.2V則Vo=2.2V-0.7V=1.5V分析此問題時，忽略了Ib的影響，因此在確定電路參數(shù)時，使IR235>>Ib,在輸出負載變