buck电路原理

1PowerSupply电源ByAdlsong2放电电池Li+/Li-Poly3~4.2VNiMH/Akaline0.9~1.5V太阳能/燃烧电池作用主/背份电源类型初级次级管理保护GasGauge安全功率转换负载充电电源适配器5V/9V/12V/24V精度±10%开关汽车插头USB4.5V~5.25V电流100/500mARFIC要求低噪声标准IC5V//3.3V/2.5V/1.8VVcore显示LED/FlashLCD/OLED/ELBiasCCFL马达/感性VibratorHDDUSBHostPortsOthersTuner…POWERSUPPLY3CHOOSETOPOLOGYTopoLDOInductorBaseBuckBoostSepicCukBuckBoost4开关BuckBoostVoVin升压VoVin降压VinminVoVinmax升降压Vo0负压4LDO线性电源LDO①低效率,短电池寿命,效率=Vo/Vin压差=Vin-Vo②小尺寸,低输出电流,成本低,容易设计③输出干净④只能降压工作在线性区相当于一个可变电阻5基准电压①并联基准具有与齐纳二极管等效功能的电压基准。必须将偏置电流设定得比最大静态电流与最大预期负载电流之和更高。由于并联基准通常是采用一个电阻器来施加偏压，因此它们能够在各种输入电压条件下操作。②串联基准具有与三端稳压器相似功能的电压基准。带负载能力强:从输入电源吸收负载电流和静态电流。基准电压6开关电源开关电源①高效率,长电池寿命,大电流②大尺寸,成本高③输出噪声,降压/升压/负压BUCKBOOSTBUCKBOOSTSEPICCUK7Buck变换器降压调节器BUCK8开关管导通,电感激磁,电流线性上升开关管关断,电感去磁,电流线性下降oinLVVdtdiLSoinpkLfDVVI)(oLVdtdiLSopkLfDVI)1(BUCK9BUCKBton:激磁toff:去磁Votoff=(Vin–Vo)tonVo=DVin其中:D=Ton/T忽略功率损耗:VinIin=VoIoIin=IL=Io/DVtBAeNtV=恒定伏秒值平衡:10BUCK11在重负载电流时IAVE½IRipple电感的电流总是由正方向流动电流不会降到0PWM控制,恒定开关频率工作改变占空式调节输出由于开关频率固定，噪声频谱固定，噪声频谱相对窄，使用简单滤波技术就可以极大程度的减小峰峰电压纹波。BUCKCCM连续电流模式12噪声不容易滤除在轻负载电流时IAVE½IRipple电感的电流(能量)完全放电到0,在电流降到0时刻，二极管自然关断,阻挡电感电流的反向流动，输出由电容提供,纹波大.开关频率及输出电压和负载电流相关BUCKDCM不连续电流模式13CCMDCMBUCKCCM有最小输出负载电流要求输出负载电流下降从CCM-DCM14输出电容纹波:注意:iLIo时Cout充电方法2:积累电荷方法1:在充电时间积分218)1(2221SoutfooutosLpkfCLVDCQUTIQ考虑ESR:SfoLpkofLESRVDIESRU)1(222218)1(11SoutfoTonTonToffTonTonCCofCLVDdtiCdtiCUBUCK最恶劣情况:U=UO1+UO215SfoinLofLDVVII2)(21max临界工作模式(介于DCM和CCM边界)DCMooininSSoffonLoVVVVLfDTTTII2212max')1()('DDDVVTDTVDVVTDTinoSSooinSoffSfoinLofLDVVII2)(21max1伏秒值平衡2功率平衡BUCK16同步Buck变换器1续流二极管换为功率MOSFET2应用于低电压大电流低电压低占空比,续流管导通更长时间3高效率BUCK大的输出电流时,同步管用几个MOSFET并联以减小导通电阻同时有利于散热17①功率MOSFETVDDSVinmax，IDmaxIo+I/2BUCK元件选取②续流二极管或同步MOSFETVRRM或VDDSVinmax，IF(AV)或IDmaxIo(1-D)③电感LVODMIN/fI，I=0.2~0.4IO，饱和电流IsatIo+I/2④PCB：输出地回路电流连续，输出地为干净地以D的正极为单点地18BUCK变换器轻载时操作控制技术BUCK1强迫CCM模式2跳脉冲模式(定频DCM到变频)3突发模式BurstMode19电感中的电流在一个开关周期中的某一段时间内可以反向流动允许电感电流反向流动优点输出纹波电压和频率在整个负载变化范围内恒定，容易滤除噪声适合于通讯等要求干扰噪声低的应用0BUCK强迫CCM模式对于同步BUCK当电感的电流为0时,同步MOSFET仍然导通,电感电流反向激磁,电感电流反向流动环流产生功率消耗从而降低效率20允许调节器跳掉一些不需要的脉冲，从而极大的提高轻载的效率一个脉冲将对输出电容充电维持足够的输出能量，从而可以跳掉一个或几个脉冲。当输出电压降到调节的阈值电压以下时，一个新的脉冲开始输出电压纹波频率与负载电压成正比，在脉冲之间只有静态电流Iq产生的功耗。只对输出电压进行处理，不需要对检测的电流进行处理提高了轻载时效率但噪声大，因为实际的开关频率不固定0BUCK跳脉冲模式21缩短激活模式的时间，从而延长系统待机的时间，最低的静态电流Iq功率损耗准disable控制器，直到输出电压到达设定的下限阈值电压，滞回控制用脉冲突发抬高输出电压直到输出电压到达设定的上限阈值电压三种模式中噪声最大需要电流检测当要求的输出电流降到内部设定的阈值时。元件关断内部的振荡器进入低电流工作状态保持低电流的工作，直到输出电压降到足够低要求另一次的电流突发BUCK突发模式22突发模式跳脉冲模式提供最好的低负载电流效率但输出电压纹波高提供最低的输出电压电流纹波但低负载电流效率差BUCK23突发模式具有最高轻载效率，其次是跳脉冲模式，强迫CCM模式轻载效率最低强迫CCM模式具有最好轻载调整率，其次跳脉冲模式，突发模式轻载调整率最差效率与轻载调整率BUCK24BUCK变换器控制方法BUCK1电压模式2电流模式：峰值电流，平均电流，谷点电流25VinLCrcRVoPWMddComparatorslopeComp.VrefR1R2误差放大器补偿功率级：控制对输出vcVCsloped·TsTsVFBd=k·Vc电压模式控制BUCK变换器BUCK26BUCK优点:不需要精密的电流检测电阻供最缺点缺点1环路增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈2环路增益是输出电容ESR的函数,需要仔细设计补偿环路3电流检测/限流控制缓慢不准确4如果多个电源和多个并联相位操作,需要外部电路进行均流控制电压模式控制BUCK变换器27VinLCrcRsenseRVoPWMdvod比较器slopecompvcgmRoCthRthCthp补偿网络VrefR1R2C1C2Kref(s)igmveainiLfeedbackITHEAINKi误差放大器峰值电流模式控制BUCK变换器BUCK28BUCK优点:1内在固有的精确/快速脉冲限流2真正的电感电流软起始3对于所有陶冶电容容易设计补偿环路4易实现多个相位/多个变换器并联操作得到更大输出电流5精确/快速的电流均流6可靠性高缺点需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本峰值电流模式控制BUCK变换器29BUCK优点:准确的电流检测缺点1需在电流平均化处理，即电流误差放大器。2响应慢3需要精密的电流检测电阻,影响效率和成本平均电流模式控制BUCK变换器应用:APFC的CCM模式30LCrcRVoPWMdvodComparatorvIthgmRoCthRthCthpVrefR1R2C1Kref(s)igmveainiLxRds(on)ITHEAIN补偿网络误差放大器谷点电流模式控制BUCK变换器BUCK31VIthIoiLiLXRds(on)VIth=iLXRds(on)上管导通固定时间下管变化导通时间下管变化导通时间调节输出电压VO上管驱动信号BUCK同步管开始导通同步管关断32iLIo谷点电流模式负载从0A跳到5A峰值电流模式负载从0A跳到5A从当前的脉冲周期响应从下一个脉冲周期响应快速负载响应:电感的电流波形BUCK33两种控制定频工作:时钟沿关断功率管，谷点电流处开通功率管变频工作:开通功率管，到固定的导通时间时关断功率管，谷点电流处开通功率管变频工作1宽输入电压2不需要电流检测电阻，快响应3低占空比易检测电流4变频工作电感设计不易优化5要限制高的占空比和最大频率6多相工作不能准确均流，多相工作PCB设计要仔细BUCK谷点电流模式控制BUCK变换器341电流模式仅需陶瓷输出电容和ICVC管脚处简单RC网络就能对两个以上输出负载瞬态作出稳定响应。与电压式控制器拓朴相比这种拓朴结构更省空间、省成本。更简单、体积更小、价格更便宜（尽管要电流检测电阻）。2电压式控制器拓朴需要额外的补偿器件来优化负载瞬态响应。典型的电压式控制器需要电解电容或钽电容稳定控制回路，并维持良好的高频响应。在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，输出电压的波动也更大。BUCK电流电压模式控制BUCK变换器