电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础

Posted 鲁棒最小二乘支持向量机

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1 降压(Buck)变换器的基本工作原理

1.1 降压(Buck)变换器实例

LMR33630同步降压转换器特性:

  • 输入电压范围:3.8V 至 36V
  • 输出电压范围:1V 至 24V
  • 输出电流:3A
  • 峰值效率高于95%

典型应用电路如图所示:


电路图来自LMR33630官方数据手册

TPS5450异步降压转换器特性:

  • 输入电压范围:5.5V 至 36V
  • 输出电流:5A(连续),6A(峰值)

典型应用电路如图所示:


电路图来自TPS5450官方数据手册

1.1 降压(Buck)变换器简介

降压直流开关变换器组成:

  • 功率半导体
  • 输入输出滤波电容
  • 滤波电感

通过变化器内部电路的工作,把高输入电压转换为低输出电压,如图所示:

1.2 降压(Buck)变换器工作原理

降压(Buck)变换器拓扑如图所示:

异步降压变换器: Q2为肖特基二极管

  • 二极管在大电流负载时,压降比较大
  • 效率不高

同步降压变换器: Q2为MOS管

  • MOS管在大电流负载时,压降比较小
  • 效率高
  • 需要芯片额外的控制线路

开关Q1闭合,开关Q2断开时,电感储能增加,如图所示:

开关Q1断开,开关Q2闭合时,电感储能减少,电感对外放出能量,如图所示:

开关Q1是主开关,开关Q2是整流开关,Q2可以用单向导电的二极管代替。当Q2是个二极管,二极管的单向导电特性自动防止了电流的倒流

1.3 降压(Buck)变换器输入输出关系

Q1开关闭合,Q2开关断开,电感两端电压为Vin-Vo,电感电流从Ivalley开始上升到Ipeak
Q1开关断开,Q2开关闭合,电感两端电压为-Vo,电感电流从Ipeak开始下降到Ivalley
输入输出关系波形图如图所示:

输入输出电压关系和输出电压纹波计算公式如下:

  • 输出电压纹波与输出功率无关
  • 输出电容越大,电压纹波越小
  • 输出频率越高,电压纹波越小
  • 电感量越大,电流纹波越小,电压纹波越小

2 降压(Buck)变换器外围器件的选择

2.1 降压(Buck)变换器电感选择

电感纹波电流计算:

计算电感感值,通常电感纹波电流为:

电感感值计算:

电感必须能承受峰值电流和RMS电流:

常用电感的种类和特性:

  • 蔽磁露:工字型磁芯绕漆包线,外面封锰锌类罩子;高频特性好,屏蔽性好,饱和特性差,价格偏高
  • 磁封胶:工字型磁芯绕漆包线,外面封胶;高频特性好,饱和特性差,价格便宜
  • 一体成型:碳基合粉压制而成;饱和特性好,不太适合高频场合

电感选取还需要注意:饱和电流;温升电流;电感DCR

TPS5450数据手册中电感选择,如图所示:

2.2 降压(Buck)变换器输出电容选择

输出电压纹波满足要求:

  • 在一个周期内电容充放电形成的电压纹波,计算如下:

  • 电容ESR形成的纹波:电感纹波电流流过电容形成的纹波电压,所以总的输出电压纹波包含两部分

电容的种类和特性:

  • 电解电容:容值大,耐压值高,ESR大
  • 固态电容:容值大,稳定性比电解电容好
  • 钽电容:寿命长,精度高
  • 陶瓷电容:非常普及,价格低廉,ESR小,容值和耐压低

电容选取注意事项:温度等级(X5R,X7R等),额定电压(10V,16V,25V等),直流电压特性

TPS5450数据手册中输出电容选择,如图所示:

2.3 降压(Buck)变换器输入电容选择

输入纹波:上管开通时,输入电容供能,输入电压降低,上管关断时,前级给输出电容充电,输入电压升高。电压纹波计算如下:

可选择高频滤波电容,PCB布局时,电容尽量靠近芯片输入引脚
TPS5450数据手册中输入电容选择,如图所示:

2.4 降压(Buck)变换器反馈电阻选择

FB的输入电流IFB,反馈电压Vref,可计算上下分压电阻之和:

上下分压电阻如图所示:

通常先确定下分压电阻RFBB,再计算上分压电阻,计算如下:

TPS5450数据手册中反馈电阻选择,如图所示:

2.5 降压(Buck)变换器自举电容选择

降压变换器的功率管的S(源)极浮地的,因此需要有浮地的驱动线路来驱动功率管。自举电容连接在Boot和SW两端,给驱动供电。TPS5450自举电容如图所示:

自举电容的电容容量需要远大于内部开关管的Ciss,电容上的纹波通常小于10%的直流电压

2.5 开关节点SW的波形

  • 上下管交替开通,SW的波形为方波

  • 方波的上升沿通常有过冲

    过冲的原因:

  • 上管快速开启带来电流的变化

  • SW节点的寄生电感

  • Q2二极管的反向恢复电流

过冲的危害:

  • 恶化EMI性能
  • 可能超过芯片耐压,从而导致损坏

3 降压(Buck)变换器特点

3.1 调频模式和脉宽调制模式

脉宽调制模式变换器:

  • 脉宽调制模式(PWM=Pulse Width Modulation)
  • 强制脉宽调制模式(FPWM=Force Pulse Width Modulation)
  • 变换器架构:内部振荡器频率固定
  • 驱动信号:固定频率,变化占空比来调节输出电压

调频模式变换器:

  • 调频模式(PFM=Pulse Frequency Modulation)
  • 内部振荡器频率可变
  • 固定导通时间或者固定关断时间

3.2 最小/大占空比

降压(Buck)变换器的最大和最小占空比:

  • 占空比的范围在0-1之间,实际变换器通常有最小导通时间(ton_min)和最小关断时间(toff_min)。固定频率(Tsw)的变换器,其最小和最大占空比由其最小导通时间和最小关断时间决定:Dmin=ton_min/Tsw;Dmax=(Tsw-toff_min)/Tsw
  • 对于DC-DC降压变换器,输入电压必须满足:Vout/Dmax<=Vin<=Vout/Dmin

3.3 过流保护:逐周期限流

为避免主功率管过流损坏,降压芯片一般采用逐周期限流功能

逐周期限流的两种基本方式:

  • 谷值电流限制,在主功率管关闭时检测电感电流,低于阈值后允许打开
  • 峰值电流限制,在主功率管打开时检测电感电流,超过阈值立即关闭

逐周期限流的缺点:当芯片严重过流时,逐周期限流功能会使输出电流维持在限流阈值上下,使得芯片在过流时具有较大损耗

3.4 过流保护:打嗝模式

当电路出现严重过流甚至输出短路时,为了减小芯片损耗,一般采用打嗝模式来限制芯片过流时的损耗

打嗝模式的特点:

  • 打嗝保护期间主功率管关断,减小芯片的功率损耗和温升
  • 实时监测触发条件,同时打嗝保护时长固定
  • 具有软启动的恢复方式
  • 可与逐周期限流保护同时具备

打嗝模式的工作机制:

  • 触发,当芯片监测到输出严重过流时,触发打嗝保护
  • 保护,触发打嗝保护之后,再持续监测一段时间,如果过流未恢复,打嗝保护开始
  • 恢复,打嗝保护时长固定,结束后芯片重新软启动,如果短路恢复则芯片正常工作;如果保护结束后短路还未恢复则打嗝保护会重新出发

4 降压(Buck)变换器控制模式

4.1 降压(Buck)变换器控制模式一:电压模式

优点:

  • 良好的抗噪声干扰能力
  • 开关频率固定
  • 适合大电流场景

缺点:

  • 负载瞬态特性差
  • 需要三型补偿网络
  • 需要额外电路提升瞬态响应

4.2 降压(Buck)变换器控制模式二:电流模式

优点:

  • 增加内部电流环路,快速的负载瞬态响应
  • 二型补偿网络
  • 开关频率固定

缺点:

  • 对噪声较为敏感
  • 环路需要额外的斜坡补偿

4.3 降压(Buck)变换器控制模式三:磁滞模式

优点:

  • 无需环路补偿
  • 超快速的负载瞬态响应
  • 支持小电感和电容

缺点:

  • 开关频率近似固定
  • 对输出噪声敏感
  • 不适合高输出电压和大占空比工作条件

5 降压(Buck)变换器布板

5.1 降压(Buck)变换器电流转换速率回路

开关管Q1导通,形成回路1:Q1---L1---C1

  • 输入电流断续
  • 寄生电感会引起高电压尖峰

续流管Q2导通,形成回路2:L1---C1---Q2

  • 输出电流连续,寄生电感影响小

回路1和回路2不重叠部分,形成回路3:Q1---Q2

  • 高电流转换速率回路,其面积应尽可能小

5.2 降压(Buck)变换器PCB布局要点

  • 高功率高电流转换速率回路面积尽可能小
  • 驱动回路面积尽可能小
  • 采样等敏感信号保护
  • 布高频线时尽量避免直角

TPS5450原理图如图所示:

电路板额外设计了3.3V稳压电路,原理图如下:


TPS5450降压转换器PCB Layout注意事项:

  • 输入电容靠近VIN和GND引脚
  • 输出电容靠近电感
  • 自举电容靠近CB和SW引脚
  • 反馈网络靠近FB和GND引脚
  • 反馈网络与高电流转换速率节点由GND隔离

TPS5450降压转换器PCB Layout,完整如图所示:

完整电路板的3D和2D展示如图所示:

TPS5450数据手册推荐PCB Layout,如图所示:

5.3 降压(Buck)变换器输出电压纹波

输出电压含有低频纹波和高频噪声

低频纹波主要由电感纹波电流的大小和电容阻抗特性(C,ESR,ESL)决定,减小方法:

  • 增加电感量或提高开关频率
  • 选更低ESR和ESL电容或电容并联使用
  • 输出侧增加LC滤波电路

高频噪声主要由高电流转换速率回路寄生电感和开关节点SW电压快速变化耦合而成,减小方法:

  • 元器件的选型和放置(选寄生参数小的摆放方向)
  • PCB的走线和层级之间的排列(控制关键回路面积、噪声屏蔽)
  • 输入/输出侧增加滤波电路(高频小电容)

5.4 降压(Buck)变换器的产品种类

降压变换器:

  • 芯片包含了控制部分和功率开关管
  • 功率由芯片的最大输入电压和输出电流决定,适合小功率和中等功率应用
  • 系统成本较低
  • 配置简单

降压控制器:

  • 芯片包含了控制部分和驱动电路
  • 功率由芯片的最大输入电压和驱动决定,适合中等功率和大功率应用
  • 系统成本中等
  • 配置复杂

降压电源模块:

  • 芯片包含了控制部分和功率开关管,以及输出电感以及输入输出电容
  • 功率由模块的输出能力决定,适合小功率和中等功率应用
  • 成本较高
  • 配置简单

希望本文对大家有帮助,上文若有不妥之处,欢迎指正

分享决定高度,学习拉开差距

以上是关于电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础

电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础

电源硬件设计----降压-升压(Buck-Boost)变换器基础

电源硬件设计----降压-升压(Buck-Boost)变换器基础

电源硬件设计----电源基础知识

电源PCB布板的10个基本法则