BUCK-電源工作原理

Buck電路工作原理分析：

2021/5/91..2021/5/92Buck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/L2021/5/93Buck電路工作原理分析.2021/5/94Buck電路工作原理分析電感電流：（開關(guān)管ON）

DeltaILon=(Vin-Vo)*Ton/L2021/5/95Buck電路工作原理分析電感電流：（開關(guān)管OFF）

DeltaILoff=Vo*Toff/L2021/5/96Buck電路工作原理分析電感電流：2021/5/97Buck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。2021/5/98Buck電路工作原理分析根據(jù)負(fù)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)=2021/5/99兩種模式下的工作電流波形：.2021/5/910Buck電路工作原理分析電感電流波形：CCM2021/5/911Buck電路工作原理分析電感電流波形：DCM2021/5/912Buck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(fù)載電流變化，但紋波分量并不改變，由此可以看出負(fù)載變化時占空比不變。當(dāng)負(fù)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(jìn)一步減小輸出負(fù)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(dǎo)通之前電流降為零。電路進(jìn)入DCM模式，在此模式下，占空比隨著負(fù)載變化而變化。2021/5/913Buck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？2021/5/914Buck電路工作原理分析模式間轉(zhuǎn)換過程：2021/5/915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(dǎo)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。2021/5/916兩種電路比較：.2021/5/917.同步電路應(yīng)用實例：2021/5/918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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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。2021/5/919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(dǎo)通時間不同，兩管的電流有效值也不同，導(dǎo)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)。2021/5/920.避免雙管同時導(dǎo)通：2021/5/921多相變換器.2021/5/922.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(shè)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。2021/5/923CPU電源解析：.2021/5/924主變換電路：.2021/5/925電路分析：當(dāng)電路中上管導(dǎo)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。2021/5/926上管驅(qū)動原理：．2021/5/927.MOS管的驅(qū)動電路：2021/5/928控制部分：.2021/5/929PWM調(diào)制原理.2021/5/930

PWM調(diào)制原理

CPU工作時會根據(jù)負(fù)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(jìn)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(jìn)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(yīng)的電位。2021/5/931.穩(wěn)壓原理：2021/5/932..2021/5/933.限流檢測(限流）：2021/5/934.電流檢測（通道平衡）：2021/5/935主板電源類型：.2021/5/936.通道電流平衡：為使每通道的達(dá)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(dá)到電流平衡，各相Ier為零時，則電流達(dá)到了平衡。電流平衡是通過檢測流過下管Rds(on)來實現(xiàn)的。2021/5/937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。2021/5/938應(yīng)用實例.2021/5/939.輸出電壓Vo:IC內(nèi)部集成了一個有關(guān)0.9V基準(zhǔn)電壓的誤差放大器,所以:Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V2021/5/940.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(shè)：ΔIo=Io*10%=3.0*30%=0.9AL=(Vin-V0)*Ton/ΔIo=(5-2.5)*1.67/0.9=4.7uH2021/5/941.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(fù)雜,成本高.2021/5/942.線性電源2021/5/943線性電源分類：.2021/5/944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。2021/5/945線性電源：OP+MOS形式.2021/5/946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(dāng)輸出為靜態(tài)負(fù)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(fù)載時則不需此電容，以提高電路的動態(tài)響態(tài)速度。2021/5/947

MOS管的工作狀態(tài)：

vDS/V

iD2021/5/948.線性電源2021/5/949.求復(fù)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(fù)載