电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础

Posted 2022-12-04 鲁棒最小二乘支持向量机

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

1.2 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：

1.3 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

1.4 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

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