033-电源设计培训【DC-DC】概论.ppt

BUCK变换电路 Chapter1 DCDC电路器件选型 通常要求所算出的感量在电压电流均处于最差的情况下，仍然能够为负载提供足够的电流，因此此时的电感量为最小值，其他各参数的选择是最不利的组合——输入电压和开关频率均为最小值，输出电压为最小值。因此有 通流量 流过电感的平均电流等于输出电流，峰值电流等于输出电流加上纹波电流。要 求电感的通流量有一定的降额，降额系数约为0.6左右。 电感损耗 电感功耗包括线圈损耗和磁芯损耗，线圈损耗归结于线圈的直流电阻(DCR)，磁芯 损耗归结于电感的磁特性。 对一个固定的电感值，电感尺寸较小时，为了保持相同匝数必须减小线圈的横截面 积，因此导致DCR增大；对于给定的电感尺寸，小电感值允许减小DCR。已知DCR和 平均电感电流IL，电感的电阻损耗IL^2*DCR。因此要选低DCR的电感。 磁芯损耗并不像传导损耗那样容易估算。它由磁滞、涡流损耗组成，直接影响铁芯 的交变磁通。开关电源中，尽管平均直流电流流过电感，由于通过电感的开关电压 的变化产生的纹波电流导致磁芯周期性的磁通变化。磁滞损耗源于每个交流周期中 磁芯偶极子的重新排列所消耗的功率，正比于频率和磁通密度。 BUCK变换电路 Chapter1 DCDC电路器件选型 开关管Q 开关管Q为MOSFET，有的集成在电源芯片内部，有的需要外部提供。 Vds 开关管Q的DS两端最大需要承受的电压等于Vin。 Id 流过开关管Q的电流等于输入电流。 损耗 开关MOS的传导损耗由MOSFET导通时的平均电流、导通电阻以及占空比有关，有 。传导损耗的起因是导通电阻，因此为了降低传导损耗需要选择低导通电阻的开关MOS。开关MOS还存在开关损耗，即MOS从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程中会产生能量损耗。开关周期越短，这个过度时间所占的比例就越大，因此开关损耗也就越大，也即开关频率越大开关损耗越大。MOSFET的开关损耗还取决于寄生电容，较大的寄生电容需要较长的充电时间，使开关转换变缓，即过度时间更长，损耗更多的能量。米勒电容通常反比于MOSFET的传导电容或栅-漏电容，在开关过程中对转换时间起决定作用。米勒电容的充电电荷定义为QGD，为了快速切换MOSFET，要求选择可能低的米勒电容。 BUCK变换电路 Chapter1 DCDC电路器件选型 续流管D 续流管D可为MOS，此时有的集成在电源芯片内部，有的需要外部提供；也可以为二极管，此时通常需要外部提供。 当为MOS时，Vds需要承受的最大电压为Vin，Id需大于输出电流。为了降低损耗同样要求低导通电阻和低米勒电容。 当为二极管时，最大反向击穿电压要大于最大输入电压Vi，工作电流要大于输出电流。续流二极管的传导损耗为 ，即二极管的导通压降越大，输出电压越低，二极管的导通时间越长，相应的二极管传导损耗就越大。二极管也存在开关损耗，发生在二极管从正向导通到反向截止的转换过程，这个损耗很大程度上取决于二极管的反向恢复时间。当反向电压加在二极管两端时，产生反向电流尖峰，因为反向电流和反向电压同时存在于二极管，从而造成能量损耗。总之，续流二极管需要低导通压降、能快速恢复，目前通常选用肖特基二极管。 由于MOS的导通电阻要比肖特基二极管小，因此当续流管为MOS时的效率高。 BUCK变换电路 Chapter1 DCDC电路器件选型 输入输出电容 输出电容 耐压值要大于输出电压，容值的选择由纹波电压的需求决定。纹波电压通常由两部分组成： 一部分是电感纹波电流通过电容的ESR产生的纹波电压，有 另一部分是电容充放电产生的纹波电压，有 根据纹波电压的要求（20%），可以计算出电容容值和ESR。ESR越大要求电容 容值也越大。 注：由于输出电容与输出电感一起会影响环路的零点和极点，进而影响补偿电 路的选择，因此，对于补偿在芯片外部的电路来说，输出电容的选择较自由，可 以选好之后再进行补偿设计；但是对于补偿在芯片内部的电路来说，电容的选择 还要参考内部补偿的设计，比如TPS54386。 BUCK变换电路 Chapter1 DCDC电路器件选型 输入电容 BUCK电路的输入电流是断续的，在toff时段，输入电流是0；在ton时段，输入电流迅速地上升到电感电流的最小值，然后随着电感电流的增大逐渐增大到电感电流的最大值。由于钽电容耐冲击电流的能力不足，因此在大多数应用中不建议选用钽电容作为输入电容。其他电容需要能承受如下的纹波电