Buck 電路結(jié)構(gòu)詳解(Analog Devices培訓(xùn)資料)

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器

基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)流程2概述降壓轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)能量傳輸波形伏秒平衡同步與異步/電流連續(xù)模式（CCM）與電流斷續(xù)模式（DCM）經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)電壓模式電流模式理想轉(zhuǎn)換器的器件選擇功率電感功率MOSFET輸出電容基于EXCEL的下載工具非理想轉(zhuǎn)換器的器件選擇降壓轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)&Power!4降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)輸出電壓低于輸入電壓包含兩個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感和一個(gè)輸出電容在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，電感電流從輸入流向輸出。因電感兩端承受正向電壓，電感電流上升在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電感電流從地流向輸出。因電感兩端承受反向電壓，電感電流下降導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存在電感中的能量，在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)向負(fù)載釋放5DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：簡(jiǎn)化波形IONIOFFILICtontoffTVsw面積相等。穩(wěn)態(tài)時(shí)VoutILOAD。ILIL2假設(shè)開(kāi)關(guān)A和B由固定頻率的互補(bǔ)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)6DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：伏秒平衡在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)周期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的電感電流都相等（伏秒平衡）在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)：在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)：占空比：ILIL7DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：

同步與異步/電流連續(xù)模式與電流斷續(xù)模式

開(kāi)關(guān)B可以是一個(gè)二極管或NMOS器件若開(kāi)關(guān)B是二極管電感中不會(huì)有負(fù)電流在輕負(fù)載時(shí)進(jìn)入電流斷續(xù)模式（DCM）在低電流（<2A）時(shí)方案成本較低若開(kāi)關(guān)B是MOSFET電感允許有負(fù)電流。

在全負(fù)載范圍內(nèi)均是電流連續(xù)模式（CCM）電流較高時(shí)，效率明顯較高增加了門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性輕負(fù)載效率非常低采用智能驅(qū)動(dòng)防止反向電流，可使輕負(fù)載效率更高經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)&Power!9DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：

電壓模式控制我們需要在電源環(huán)路中引入一個(gè)負(fù)反饋進(jìn)行擾動(dòng)衰減電壓模式下，脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)通過(guò)以下方式驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)：PWM信號(hào)頻率固定——PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器設(shè)定PWM信號(hào)的下降沿通過(guò)比較輸入控制電壓和一個(gè)固定的鋸齒波電壓進(jìn)行調(diào)制輸入控制電壓與輸出電壓的目標(biāo)值和實(shí)際值之間的整體誤差成正比10DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：

電壓模式控制脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制器電路與波形11電壓模式控制：

負(fù)反饋定性評(píng)述12LC濾波器將SW節(jié)點(diǎn)的PWM波形轉(zhuǎn)換為輸出電壓所有電容均有等效串聯(lián)電阻（ESR）輸出電容的等效串聯(lián)電阻向環(huán)路增益中加入零點(diǎn)零點(diǎn)對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

輸出濾波器傳遞函數(shù)13DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

輸出濾波器傳遞函數(shù)14DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

III型補(bǔ)償電壓輸出誤差放大器III型補(bǔ)償三個(gè)極點(diǎn)（一個(gè)在原點(diǎn)）兩個(gè)零點(diǎn)*-假設(shè)為理想運(yùn)放：增益帶寬無(wú)限15DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

III型補(bǔ)償電壓輸出誤差放大器III型補(bǔ)償三個(gè)極點(diǎn)（一個(gè)在原點(diǎn)）兩個(gè)零點(diǎn)提高了直流精度*-假設(shè)為理想運(yùn)放：增益帶寬無(wú)限16DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

III型補(bǔ)償17DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

PWM直流增益脈寬調(diào)制器比較控制電壓和鋸齒波電壓鋸齒波電壓峰值為VPK18總增益是每一部分增益的乘積誤差放大器增益：

調(diào)制器增益：LC濾波器增益：電壓模式降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的總環(huán)路增益DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

總環(huán)路增益

19DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電壓模式控制

波特圖20電壓模式控制的

優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)非常容易理解瞬態(tài)響應(yīng)好環(huán)路增益與帶前饋的Vin無(wú)關(guān)可獲得比電流模式更高的閉環(huán)帶寬最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間比電流模式明顯縮短可以輸入或輸出電流（DDR）通常抖動(dòng)較低環(huán)路增益元件容差低，無(wú)需調(diào)整挑戰(zhàn)Vin不帶前饋時(shí)（ADP182x）環(huán)路增益改變LC振蕩若未衰減掉則有相位衰減穩(wěn)定性依賴(lài)于ESR零點(diǎn)可能有問(wèn)題未知輸出電容能夠輕易引起不穩(wěn)定21DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電流模式控制采用電流模式控制PWM信號(hào)頻率固定——PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器設(shè)定PWM信號(hào)的下降沿通過(guò)比較輸入控制電壓和一個(gè)等效電感電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸入控制電壓與輸出電流成正比22電流模式控制脈寬調(diào)制器電路與波形*所示為峰值電流模式我們將重溫電流模式的變化23電流模式控制

檢測(cè)電流……

殊途同歸低端開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻檢測(cè)高端開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻檢測(cè)低端檢測(cè)電阻電感檢測(cè)電阻高端檢測(cè)電阻仿真電流24DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電流模式控制

輸出濾波器傳遞函數(shù)

LC濾波器將SW節(jié)點(diǎn)的PWM波形轉(zhuǎn)換為輸出電壓，但因電感電流由PWM模塊調(diào)節(jié)，電感充當(dāng)電流源，傳遞函數(shù)中無(wú)復(fù)阻抗零點(diǎn)單極點(diǎn)（電壓模式是對(duì)復(fù)數(shù)極點(diǎn)）25DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：電流模式控制

II型補(bǔ)償跨導(dǎo)誤差放大器兩個(gè)極點(diǎn)（一個(gè)非常低）一個(gè)零點(diǎn)26降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器電流模式環(huán)路增益脈寬調(diào)制器比較控制電壓和電感電流27DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器電流模式控制

總環(huán)路增益總增益是每一部分增益的乘積誤差放大器：

調(diào)制器：LC濾波器：電流模式降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的總環(huán)路增益`*-不考慮高頻采樣極點(diǎn)28電流模式控制降

壓轉(zhuǎn)換器波特圖若適當(dāng)取消零點(diǎn)和極點(diǎn)29電流模式控制

優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)通常電流模式控制本身具有限流特性補(bǔ)償電流模式比電壓模式簡(jiǎn)單增加電容通常不會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定（只是降低帶寬）電流模式芯片可以更方便地用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了器件數(shù)量挑戰(zhàn)檢測(cè)電流需有最小導(dǎo)通和最小關(guān)斷時(shí)間要求－減少了應(yīng)用空間高帶寬電流檢測(cè)放大器對(duì)噪聲敏感大多數(shù)情況下，電流模式轉(zhuǎn)換器的帶寬不如電壓模式轉(zhuǎn)換器高需要解決次諧波振蕩不穩(wěn)定問(wèn)題通常抖動(dòng)高于電壓模式多開(kāi)關(guān)之間串?dāng)_器件選擇&Power!31DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器選擇MOSFET主要關(guān)注：溫度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)尺寸或成本勿超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)從何處開(kāi)始？只需選擇具有適當(dāng)BVdss的FET經(jīng)過(guò)進(jìn)行幾次設(shè)計(jì)流程后，您就會(huì)有一種直覺(jué)判斷哪種適用或不適用32DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器選擇MOSFET

開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)參數(shù)閾值電壓Vgs(th)使源極和漏極之間形成導(dǎo)電溝道的最小門(mén)極偏置電壓隨溫度升高而減小導(dǎo)通電阻Rds(on)在導(dǎo)通狀態(tài)下源極和漏極之間的總阻抗確定額定電流和功耗的重要參數(shù)由于空穴以及電子活動(dòng)性隨溫度升高而降低，導(dǎo)通電阻隨溫度升高而升高隨門(mén)極對(duì)源極電壓升高而降低Rds(on)具有正溫度系數(shù)(0.7%/C–1%/C)并聯(lián)操作的理想選擇并聯(lián)MOSFET趨向于均分電流漏極－源極擊穿電壓BVdss在關(guān)斷狀態(tài)下，器件不發(fā)生雪崩式擊穿時(shí)能夠承受的最大漏極－源極電壓33DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

我的MOSFET消耗多少功率？

（近似）

功率FET主要產(chǎn)生兩部分損耗，其一是導(dǎo)通損耗導(dǎo)通損耗=(Irms)2*Rds(on)降壓轉(zhuǎn)換器MOSFET的電流有效值Ihsrms=Iout*√(D*(1+1/3*(?iL/Iout)2))

Ilsrms=Iout*√((1-D)*(1+1/3*(?iL/Iout)2))

使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中相近Vgs驅(qū)動(dòng)電壓的Rds(on)最大值

34DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

我的MOSFET消耗多少功率？

（近似）

功率FET主要產(chǎn)生兩部分損耗，其二是開(kāi)關(guān)損耗目標(biāo)是盡可能在最高阻抗?fàn)顟B(tài)和最低阻抗?fàn)顟B(tài)之間迅速轉(zhuǎn)換寄生電容Cgs和Cgd可減緩轉(zhuǎn)換，因而引起與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的功耗35DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

我的MOSFET消耗多少功率？

（近似）

流經(jīng)電感的電流及兩端電壓的乘積是三角波形此三角形的面積就是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換損耗Psw≈(Vin*Iout)*Fsw*(trise+tfall)/2

*更詳細(xì)的

等式參見(jiàn)

演講者注釋36DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

我已算出FET的總損耗，是否太高了？FET的總損耗（近似）是開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和Ptot=Pconduction+Pswitch現(xiàn)在，我們已得到總損耗，因此可以確定對(duì)于熱穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)是否太高了。

答案是（和大多數(shù)事情一樣）取決于具體情況。MOSFET制造商會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定一個(gè)最高結(jié)溫（Tjmax）和結(jié)與環(huán)境之間的熱阻（R?jA）知道R?jA

、估計(jì)環(huán)境溫度（Tamb

）和Ptot后，就可以（非常）粗略地計(jì)算出結(jié)溫（Tj），如下所示：

Tj=Tamb

+R?jA*Ptot

若Tj>Tjmax，所選的FET不適用37DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

封裝表

您會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)到環(huán)境的熱阻（R?jA）很大程度上依賴(lài)于封裝

熱阻R?ja（平均）*

尺寸成本DPAK(TO-252)50°C/W10mmx6.1mm低SO-870°C/W6mmx4.9mm中熱增強(qiáng)型SO-850°C/W5.15mmx6.15mm高TSOP-690°C/W2.85mmx3mm中1206-8片式FET70°C/W3mmx1.8mm中SOT-23130°C/W2.5mmx2.9mm低

*受測(cè)器件安裝在1平方英寸2盎司的銅箔上38DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇MOSFET

結(jié)論此時(shí)，您會(huì)得出以下三種結(jié)論之一：1.FET工作狀況不錯(cuò)。它具有溫度穩(wěn)定性，并且功耗少，符合效率要求。太棒了?。?！2.您選的FET會(huì)在應(yīng)用中引發(fā)火災(zāi)3.您選的FET具有溫度穩(wěn)定性，但相對(duì)于效率要求，功耗太大。4.您選的FET功耗遠(yuǎn)低于其額定值，但針對(duì)應(yīng)用要求可能尺寸太大或成本太高39DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇電感主要關(guān)注：溫度穩(wěn)定性鐵芯不飽和峰峰值電感紋波不會(huì)導(dǎo)致輸出電壓紋波超出規(guī)格要求從何處開(kāi)始？找出電感上的“伏”和“秒”來(lái)計(jì)算?IL40DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇電感

紋波電流?IL通常是Iout的30％至100％?IL越小，通常轉(zhuǎn)換器越大、效率越高?IL越大，通常轉(zhuǎn)換器越小、效率越低?IL越低，輸出電容的等效串聯(lián)電阻可以越高?IL越高，輸出電容的等效串聯(lián)電阻必須越低ILILOADILICIL241DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇電感

飽和電感飽和了？Isat：相對(duì)與零電流時(shí)的電感量，電感降低x％（通常x≈20）時(shí)的直流電流若Isat<(Iout+?IL/2)就可以，對(duì)嗎？ 也許。請(qǐng)查看飽和曲線42DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇電感

功耗直流電阻交流電阻RCORELPDISS≈Irms2?DCRk為鐵損常量f為頻率（kHz）B為峰值磁通密度，kG(V*ΔT)*k1V為鐵芯體積(cm3)通常是主要功耗可能是主要功耗43DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇電感

鐵芯功耗鐵損取決于

鐵芯材料、電流有效值、

峰峰值電感紋波

和開(kāi)關(guān)頻率制造商鐵損計(jì)算數(shù)據(jù)集成到

設(shè)計(jì)工具中

直流電阻損耗一目了然

Pdiss=Irms^2*DCR

44DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇輸出電容主要關(guān)注：溫度穩(wěn)定性考慮所有的降容流經(jīng)等效串聯(lián)電阻的峰峰值電感紋波電流不會(huì)導(dǎo)致輸出電壓紋波超出規(guī)格要求從何處開(kāi)始？找出必須滿足輸出電壓紋波要求的最大等效串聯(lián)電阻45DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器：選擇輸出電容

各類(lèi)電容表現(xiàn)各異選擇鋁電解電容+/-成本最低，但尺寸最大+可用容值大-使用壽命和溫度范圍有限-從25℃開(kāi)始容值下降，低額定有效值選擇陶瓷電容+/-尺寸小，但容值也小+低等效串聯(lián)電阻，高額定有效值+使用壽命長(zhǎng)，溫度穩(wěn)定性好（X7R）-施加的電壓升高，容值降低-等效串聯(lián)電阻隨頻率變化混合電容和鉭電容+/-任意價(jià)格、任意低壓規(guī)格+容值和等效串聯(lián)電阻穩(wěn)定-顏色漂亮，但若忽視規(guī)格要求會(huì)有難聞的氣味46