01 硬件侠客行之 电源是怎样炼成的硬件十万个为什么20150809

单板电源是怎样炼成的——单板电源技术交流目录Page2开关电源设计实战1、电压反馈电路设计要点2、电流采样电路设计要点3、MOSFET选型要点4、Boot电容选型要点5、输入电容选型6、输出电感选型7、输出电容选型8、开关电源的拓扑线性电源设计实战1、线性电源反馈电路设计要点2、调整电压3、稳压二极管并联调整电压4、单晶体管串联型线性电源5、三端稳压器6、LDO环路补偿设计实战1、数学基础2、线性电源环路分析3、开关电源环路分析电源设计的工程问题1、电源的PCB设计要点详解2、电源的节能设计要点3、电源的热设计4、电源缓启5、EMI案例集MOSFET失效案例分享电源PCB设计不合理的三个案例附录前言•电源是提供电能的装置。电源因可以将其它形式的能转换成电能，所以把这种提供电能的装置叫做电源。常见的电源是干电池（直流电）与家用的110V-220V交流电源。电源：自“磁生电”原理，由水力、风力、海潮、水坝水压差、太阳能等可再生能源，及烧煤炭、油渣等产生电力来源。•电源有很多分支，也有很多课题，根据我们的设计开发的需求，本文介绍的内容关注电信、企业设备的供电和电路板内部的供电。前言•通信-48V电源•通信机房供电模式采用48V电源供电系统，所有设备统一使用现成48V电源供电，这种供电系统是最安全、最可靠、最经济、最合理的方案。•在通信局站供电系统方面，我国早已完成了以直流48V电源为基础电压的供电系统的统一工作，原有60V的供电系统已被淘汰，长途干线光缆局-24V和+24V系统已被改造或统一成48V电源供电。•回顾电信行业的发展历程，我们可以清晰地看到随着电信行业重要性的不断提升，其对供电系统的要求越来越高。因此，机房电源环境得到了不断完善，包括单项产品的技术进步以及多种产品整合促成的供电方案的改进。这些变化都是基于电信企业对其供电环境品质的一贯追求，那就是供电系统的高可靠性,高效能使用,以及低运营成本的宗旨。应该说这一追求首先体现在其直流供电系统的不断改进与完善，从早期的相控电源开始到模块化开关电源的引入，直到今天，电信的48V直流电源已经成为一个成熟的专业化电源方案，具有高度的可靠性与和管理性，并形成了比较规范的行业标准。Page4前言Pin导线颜色功能Pin导线颜色功能1橘黄3.3V提供+3.3V电源11橘黄3.3V提供+3.3V电源2橘黄3.3V提供+3.3V电源12兰色-12V提供-12V电源3黑色地线13黑色地线4红色5V提供+5V电源14绿色PS-ON电源启动信号，低电平-电源开启，高电平-电源关闭5黑色地线15黑色地线6红色5V提供+5V电源16黑色地线7黑色地线17黑色地线8灰色PowerOK电源正常工作18白色-5V提供-5V电源9紫色＋5VSB提供+5VStandby电源，供电源启动电路用19红色5V提供+5V电源10黄色12V提供+12V电源20红色5V提供+5V电源Page5输出电压最大输出电流（A）峰值输出电流（A）+12V810+5V21+3.3V14-5V0.3-12V0.8+5VSB1.52.5符合ATX2.03标准的200W电源ATX电源插座管脚功能表前言——电源的分类Page6广义DC/DC二极管同步整流PWMPWM/PFMPFMPWMPWM/PFMPFM转换器控制器电感方式（狭义DC/DC）升压降压反转电容方式（电荷泵）升压降压反转非隔离型隔离型正激型反激型开关电源线性电源AC/DCDC/ACPage7问题的引出Page81、书上的BUCK电源拓扑图与实际开发中的差异？2、基本原理可查看书籍，但是对实际的帮助不大？3、这些外围器件的功能是什么？4、外围器件如何选型，具体的参数如何确定？5、我们有电源模块了，开关电源可以向LDO一样使用，还需要了解开关电源作甚？问题的引出Page9电压反馈电流采样输出电容输出电感BOOT电容输入电容环路补偿上管及下管开关频率电压反馈——电压反馈环路VrefVsense误差放大器-+PWM比较器+-锯齿信号发生器ΔVN*ΔV偏置电压控制逻辑驱动器驱动器Page10输出电压电压分压输入电压电压反馈——电压反馈环路（续一）Page11锯齿波发生器基本原理PWM比较器影响脉冲宽度基本原理电压反馈——电压反馈环路（续二）•了解内容：PWM反馈控制模式Page12电流采样•电流采样的基本原理——电阻电压∝流经电阻的电流（欧姆定律）Page13方法三：利用输出电感的Rdc两端电压方法一：串入精密电阻方法二：利用下管的Rds（on）电流采样（续一）•方法一、串入精密电阻•优点：测试准确，易于调试•缺点：增加能够通过大电流的高精密电阻，增加成本，增加器件，降低电源效率。uARRisen108/I2oc精Page14电流采样（续二）•方法二、利用下管的Rds（on）•优点：不增加额外器件、易于调试•缺点：需要在MOSFET的DS管脚两端采样电压，下管的S端连接功率，干扰较大，测试结果不准确。uARRisenonds108/I2oc)(Page15电流采样（续三）•方法三、利用输出电感的Rdc两端电压•优点：测试准确，成本低•缺点：原理及调试过程复杂Page16电流采样（续四）•电感DCR电流传感原理分析：rcRdcLVVVVPage17cRccRdcRdcLRdcZZZVZZZVCsRCsVRRsLRIcdcdcdcL1111sRCRLsRIVdcdcLcLdcLcdcIRIVRCRL当电流采样（续五）•过流点设置uAIRRIcomisensedcoc108/Page18电流采样（续六）•Isen的具体实现•1、Vout近似看成电压不变，看成参考电压•2、V（Isense-）=Vout+Vc•3、虚短：Vc=V（Risen）•4、I（Risen）=Vc/Risen•5、虚断：Isen=I（Risen）Page19MOSFET控制时序及选型驱动器驱动器PhaseUgateLgatePage20上管上升沿时间：Tru上管下降沿时间：Tfu上管上升沿时间：Trl上管下降沿时间：Tfl死区时间：tUGFLGR（UGATEtoLGATEDeadtime）tUGFLGR（LGATEtoUGATEDeadtime）Td2Td1MOSFET控制时序及选型（续一）•三个静态的电流流向驱动器驱动器PhaseUgateLgate驱动器驱动器PhaseUgateLgate驱动器驱动器UgateLgate上管打开，下管关闭上管关闭，下管打开上管和下管都关闭，死区时间Page21MOSFET控制时序及选型（续二）•体二极管续流Page22寄生电容MOSFET控制时序及选型（续三）Page23LowerMOSFETPowerLossperphaseN.Low.MOSFET1pcsTotalnumberoflowerMOSFETinparallelperphaseRds,on2.2mohmRds,onPerlowerMOSFET@Temp?Vd,on0.82VoltBodydiodeforwardvoltagedropperMOSFETQrr48nCReverserecoverycha[e-mail]0.62wLowerMOSFETconductionpowerlossperphase=Irms.lower*Irms.lower*Rds,on/N.low.MOSFETPdiode.lower0.09wbodydiodeconductionloss/phase=Vd,on*Fsw*[(Iavg+ILo.ripple/2)*Td1+(Iavg-ILo.ripple/2)*Td2]/N.low.MOSFETPcap.lower0.03wOutputcapacitanceloss/phase=Coss*Vin*Vin*Fsw/2Plower0.74wTotalLowerMOSFETPowerloss/phase=Pcon+Pdiode+PcapMOSFET控制时序及选型（续四）UpperMOSFETPowerLossperphaseN.up.MOSFET1pcsTotalnumberofupperMOSFETinparallelperphaseRds,on4.3mohmRds,onPerupperMOSFET@Temp?[e-mail]1.1nFOutputcapacitanceperupperMOSFETT18nsSwitchingtimeofupperMOSFETfromOFFtoONT25nsSwitchingtimeofupperMOSFETfromONtoOFFPcon.upper0.19wUpperMOSFETconductionpowerlossperphase=Irms.upper*Irms.upper*Rds,on/N.up.MOSFETPsw10.23wUpperMOSFETturn-ONswitchinglossperphase=Vin*(Iavg-ILo.ripple/2)*T1*Fsw/N.up.MOSFET/2Psw20.20wUpperMOSFETturn-OFFswitchinglossperphase=Vin*(Iavg+ILo.ripple/2)*T2*Fsw/2/N.up.MOSFETPdiode.rr0.18wLowerdiodereverserecoveryloss/phase=Vin*Fsw*QrrPcap.upper0.03wOutputcapacitanceloss/phase=N.up.MOSFET*Coss*Vin*Vin*Fsw/2Pupper0.84wTotalupperMOSFETPowerloss/phase=Pcon+Psw1+Psw2+Pdiode.rrPage24MOSFET控制时序及选型（续五）•MOSFET的功耗组成：•1、导通损耗（上下管）：MOSFET处于打开状态，Rds（on）上面流经电流的损耗。•2、MOSFET输出电容充放电损耗（上下管）：MOSFET寄生电容充放电的损耗。•3、开关损耗（上管）:MOSFET在打开和关闭的过程中，处于放大区的损耗。•4、二极管续流损耗（下管）：主要发生在PWM死区（deadtime）的时候，需要打开下管的体二极管来续流。•5、二极管反相恢复损耗（下管）上管打开瞬间，需要将二极管正向导通电荷释放掉。Page25MOSFET控制时序及选型（续四）•MOSFET功耗计算•1、导通功耗，因为很显然下管的功耗是在电流通过MOS的DS沟道之间的电阻（rDS(ON)）产生的。下面公式可估算下MOS管的导通功耗。Page262、开关损耗，在开关过程中产生的损耗，MOSFET处于放大区。3、下管二极管续流损耗:主要发生在PWM死区（deadtime）的时候，需要打开下管的体二极管来续流。这部分的功耗取决与开关频率，死区时间和体二极管的正向压降。可用如下公式估算。4、下管二极管反相恢复损耗。上管打开瞬间，需要将二极管正向导通电荷释放掉。开关损耗计算•上MosFet其打开过程中的功耗：在其上升沿过程中，电压与电流乘积的积分,对时间的平均。•在这个过程中，电流基本保持不变：输出最大电流+输出电流纹波*0.5.（OFF）；输出最大电流-输出电流纹波*0.5.（ON）•在这个过程中，电压是不断变化的：从Vin→0V.•积分的时间为Ton，上MOS管的打开上升沿。•积分出来的结果：•所以开关损耗：Page27MOSFET功耗下管上管导通损