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Analog and Mix-Signal Integrated Circuit Design -- DC/DC开关型稳压器 西安电子科技大学微电子学院 刘帘曦 开关型DC/DC转换器工作原理 占空比:就是输出的控制脉冲中,高电平保持的时间与该控制脉冲的时钟周期的时间之比。 脉冲宽度调制:控制信号由一系列占空比不同的矩形脉冲构成,其占空比与模拟信号的瞬时值成比例。 核心部分由一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。输入信号如果大于锯齿波信号,比较器输出高,否则输出低。 脉宽调制型(PWM)DC/DC开关转换器设计基础 PWM开关电源转换器是利用功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断开关,在保持频率不变的情况下,控制开关元件的导通时间(占空比),从而调整输出电压的一类电路。 脉频调制型(PFM)DC/DC开关转换器设计基础 PFM开关电源转换器是利用功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断开关,在保持导通时间不变的情况下,控制开关元件的控制信号的频率,从而调整输出电压的一类电路。 PWM和PFM的适用范围 在输出功率较大的情况下PWM开关转换器的转换效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声特性。 PFM控制型电路结构相对简单,在小负载时具有耗电小,转换效率高的优点。 PWM控制型在轻负载条件下转换效率低下,而PFM控制型在重负载条件下会给输出电压引入很大的纹波。 DC/DC开关转换器设计关注参数 输入电压和输出电压范围; 转换效率; 纹波电压; 调制频率; 静态功耗; 脉宽调制型开关转换器的拓扑 常见的DC/DC开关转换器有以下几种拓扑结构: 1. Buck型(降压型) 2. Boost型(升压型) 3. Buck-Boost型(升-降压型) 本次课程主要介绍Buck型开关转换器。 Buck型开关转换器DC/DC原理 由于输出电压始终是小于输入电压的,因此,Buck型开关转换器也被称作降压型开关转换器。 Buck型开关转换器的工作模式 输出电压稳定时二极管电压和电感电流的波形。 Buck型开关转换器模式分析 根据电感上电流是否降低至0,Buck型变换器可以有连续和非连续两种工作模式。 对连续工作模式而言设开关闭合,电感充电时间为 tON=t1=D1TS, 则开关断开,电感放电时间为 tOFF=(1-D1)TS=D2TS , 在开关导通的时间内,电感上的平均电流值为 Buck型开关转换器模式分析(续1) 电感上电流线性上升的增量可以表示为: 同理,当开关断开时,电感上的电流增量可以表示为: 稳定状态下这两个电流变化量应该相等 : Buck型开关转换器模式分析(续2) 联立以上各式可得: 如果在负载较重(负载电阻比较小)的情况下,电感L比较小,又或者周期TS比较大,此时可能出现当电感上电流已经下降为0,但新的充电周期仍然没有开始的情况, 这种情况被称为不连续模式。(D1+D21) Buck型开关转换器模式分析(续3) 当Buck开关变换器工作于电感电流不连续工作模式时,电感上的电流变化是很大的,这要求功率开关和续流二极管必须能够承受较高的峰值电压和电流。 在高功率应用中,应该尽量避免不连续的工作模式。 一般来说,为了保证Buck开关变换器能工作在连续模式,并具有较好的动态特性和较小的输出电压纹波,应选择较大的电感和较大的电容。 Buck型开关转换器小结 Buck开关变换器的输出电压Vo其实就是输入电压Vin在开关周期TS内的平均值。 Vin是时有时无的脉冲形式,但Vo则是平直的。因此Buck开关变换器又可以简单看作是一个具有低通滤波功能的电压斩波器。 输出电压Vo是输入电压Vin的平均值,因而总是小于输入电压的。 Boost型开关转换器 由于输出电压始终是大于输入电压的,因此,Boost型开关转换器也被称作升压型开关转换器。 与Buck型开关转换器相比,只是器件的相对位置发生了一些变化,其分析方法和Buck型开关转换器的分析方法完全一样,在此不再赘述。 设计实例 一种高效PWM/PFM双模调制Buck型开关电源控制芯片-AE1605 1.输入电压范围宽,2.5V~7.0V,可变范围±2.5%; 2.输出电压可调; 3.低电流耗散,工作时最大为800μA,待机时最大2μA; 4.PWM/PFM 双模调制; 5.振荡典型频率300KHz; 6.具有待机功能; 7.内部集成PMOSFET 作为开关管; 8.封装类型:SOP-8L。 电路特点 目的:提供一种在宽负载范围内保持高的平均转换效率,并保证不影响其转换性能和精度。 集合PWM控制和PFM控制的优点,根据负载变化情况,在内部实现PWM和PFM两种控制模式的自动转换。 PWM/PFM转换型在轻负载
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