降压式开关电源设计要点

降压式开关电源设计要点降压电路-典型例子(VIN=12V,VOUT=3.3V,IOUT=15A)C22200uF/25V(2pcs.)C12200uF/25V(2pcs.)R72.2RC121500uF/6.3V(2pcs.)L11.9uHU1SC110413245678COMP/SSDLGNDDHBSTPHASEVCCSENSEC1310uF/25V(2pcs.)VOUTC447nFQ2AOD412R10RR85.1RC84.7uFR62.2KC111500uF/6.3V(2pcs.)C51nFD1D1N4148C141nR51KR102.2RR41kC91uFR31.5KC61nFC31uFVINC154.7uF/25VR92.2RD2D1N4148Q1AOD412C1010uF功率电路(粗线)信号电路(细线)降压电路-典型例子(VIN=3.3V,VOUT=1.2V,IOUT=1A)(A)线性电源(B)开关电源VIN=3.3V,VOUT=1.2V,IOUT=1APLOSS=(3.3-1.2)x1=2.1WEfficiency=1.2/3.3=36%VIN=3.3V,VOUT=1.2V,IOUT=1APLOSS=(1-0.85)x3.3=0.5WEfficiency=85%1.降压式开关电路初步介绍-基本结构1.降压式开关电路初步介绍-工作原理1.降压式开关电路初步介绍-电感电流(A)当开关在“1”位置时，电感器(L)二端的电压为:dt)t(diLVV)t(vLOUTINL从上式得到电感电流上升斜率:LVVdt)t(diOUTINL电感电流的纹波值为:SOUTINLDTLVVI(B)当开关在“2”位置时，电感器(L)二端的电压为:dt)t(iLV)t(vLOUTL电感电流下降斜率为:LVdt)t(diOUTL电感电流的纹波值为：SOUTLT)D1(LVI降压式(BUCK)开关电源输入与输出电压关系式:输出电压=输入电压X占空比由于占空比永远小于1,所以输出电压永远小于输入电压1.降压式开关电路初步介绍-占空比定义:D占空比(0~1)D’1-DTs开关周期(uS)Fs开关频率(KHz)INOUTVVD1.降压式开关电路初步介绍-功率器件电流波形波形中可总结这几点：(1)电感电流(IL(t))平均值就是负载电流(IOUT)(2)电感电流(IL(t))会有一个交流部分(ΔIL(t))(3)电感交流电流会流入输出滤波电容(COUT)(4)电感电流的峰值(IL_PEAK)是IOUT+ΔIL/22.降压式电路-典型要求(1)输入电压范围：VIN,VIN_MAX,VIN_MIN(12V)(2)输出电压：VOUT(3.3V)(3)输出纹波电压（峰值至峰值）：ΔVOUT(50mV)(4)满载输出负载电流：IOUT(15A)(5)电源效率：η(90%)功率器件:(1)滤波电感(L)(2)输出滤波电容(COUT)(3)输入滤波电容(CIN)(4)功率场效应管(Q1,Q2)电感和纹波电流δ=20%~30%2.降压式电路-电感设计(1))VV1(fIVLINOUTSOUTOUTVIN=12V，VOUT=3.3V，IOUT=15A，δ=33%，fS=300KHz，计算出来的电感值是1.6μH。OUT2OUTRMS,LI121II电感峰值电流为17.5A2.降压式电路-电感设计(2)(1)电感磁芯材料：对于频率高于350KHz高效率开关电源应用，应选用铁氧体，Kool-Mu等合金材料的磁芯。低成本Powder铁磁芯一般可在开关频率低于350KHz的电源中应用。但其磁芯损耗在350KHz时会比较大。(2)选择电感值：有时计算出来的电感值无法找到现货供应。这时设计者可以选择临近或稍大一点电感值的标准电感。图1电源选择了一个在额定输出电流下电感值为1.9μH标准电感。通常电感值会随温度和电流的变化而不同。一旦电感值确定，应该马上重新估计该电感的实际纹波电流。(3)电感饱和电流值：一般情况下，所选用的电感饱和电流的最小值应为电感峰值电流的1.25-1.5倍。图1电源电感峰值电流为17.5A(15+15/6)，因此所选用的电感需有22-26A的饱和电流值。Pulse标准电感器PG0077.202参数Pulse型号(PartNumber)PG0077.202额定电流(IRATED)时电感值1.9μH额定电流(IRATED)21A绕线电阻最大值(DCRMAX)2.9mΩ零工作电流时电感值2.0μH饱和电流(ISAT)24A发热电流(HeatingCurrent)21A磁芯损耗指数(K1)13.77E-9磁芯损耗指数(K2)62.72.降压式电路-电感设计(3)输出纹波电压(ΔVOUT)是ΔVCOUT，ΔVESR，ΔVESL这三项的矢量和ΔVCOUT是由电感纹波电流在COUT上所产生的纹波电压ΔVESR是在ESR上所产生的纹波电压ΔVESL是在ESL上所产生的纹波电压SOUTOUTCfC8IVOUTOUTESRESRIRVDIfLVOUTSESLESL3.降压式电路-输出电容设计(1)铝质电容器(比如电解，固态OS-CON，POSCAP)都有较高的电容值和相对较低工作开关频率(500KHz)。ESR对输出纹波电压有主要的影响。减小RESR是减小输出纹波电压的关键。输出电容所需的ESR值应为：OUTOUTESRIVR一旦RESR确定，COUT应满足：SESROUTfR210C铝电解电容器工作电压的额定值要高于1.5VOUT钽电容器工作电压的额定值要高于2VOUT3.降压式电路-输出电容设计(2)COUT能允许的纹波电流RMS值应高于：32IIOUTRMS,COUT松下FK和WA表面贴电解电容器参数:松下型号(P/N)EEVFK0J152PEEFWA0J471P特性普通低阻抗Polymer电容值1500μF470μFESR(@100KHz)80mΩ20mΩ纹波电流有效值0.85A5.1A额定耐压值6.3V6.3V体积(直径,高度)10mm,10.2mm10mm,10.2mm假如输出纹波电压要被控制在50mV以下，那么:输出电容的ESR值应小于12mΩ(50mV/4.2A)输出电容值应大于445μF输出电容要能承受1.2A的RMS纹波电流7颗EEVFK0J152P并联后ESR值为11.4mΩ(80/7)功率损耗是16.4mW(1.2∙1.2∙11.4)。3.降压式电路-输出电容设计(3)3.降压式电路-输出电容设计(4)除了要满足输出纹波电压的要求，有时用户会要求开关电源需要满足负载的瞬态变化。此时输出电容ESR值也需要满足输出电压瞬态变化值：TTESRIVR如果用户要求电源负载电流在瞬间由满载变成空载(ΔIT=15A),输出电压不能超出正常输出电压的3%(ΔVT=3.3V∙0.03=100mV)，RESR应小于6.7mΩ(100/15)。这意味着需选用12颗1500μFEVFK0J152P电解电容或三颗470μFEEFWA0J471PPolymer电解电容。D1DD1121DII222OUTRMS,CIN松下型号(P/N)EEVFK1E222MEEFWA1D151P特性普通低阻抗Polymer电容值2200μF150μFESR(@100KHz)35mΩ26mΩ纹波电流有效值1.8A3.7A额定耐压值25V20V体积(直径,高度)16mm,16.5mm10mm,10.2mm输入电容电流的RMS值可近似为：6.7ARMS纹波电流四颗2200μF/25V电解功率损耗是392mW(6.7∙6.7∙8.75)3.降压式电路-输出电容设计(4)AOS型号(PartNumber)AOD412漏极-源极最高耐压(VDS)30V栅极-源极最高耐压(VGS)±20V栅极电荷(QG)典型值26nC静态漏极-源极导通电阻(RDS_ON)@TJ=25ºC5.5mΩ静态漏极-源极导通电阻(RDS_ON)@TJ=125ºC8.8mΩ栅极-源极开启电压(VGS_TH)典型值2.15V寄生二极管正向压降(VSD)典型值0.72V晶片结点最高温度(TJ_MAX)175ºC静态结点至环境热阻(θJA)最大值50ºC/W器件封装(Package)TO252开关电源设计有关的主要参数包括:4.降压式电路-MOSFET选择(1)选择开关电源功率场效应管的基本过程是这样：(1)场效应管漏极至源极的电压耐压值(VDS)应大于输入电压最高值(VIN_MAX)。图1中VIN_MAX为12V，而AOD12VDS最高值是30V。(2)栅极至源极的电压耐压值(VGS)应大于输入电压最高值(VIN_MAX)。AOD12VGS最高值是20V。(3)栅极至源极开启电压(VGS_TH)应小于输入电压最低值(VIN_MIN)。AOD12VGS_TH是2.15V。(4)估算出上端和下端场效应管栅极损耗(PGATE)，开关损耗(PS)，传导损耗(PC)。(5)通过厂家提供的场效应管热阻参数估算出其结点温度并确认结点工作温度在TJ_MAX之下。4.降压式电路-MOSFET选择(2)电源功率器件损耗总结电感损耗(PL)0.736W输出电容损耗(PCOUT)0.016W输入电容损耗(PCIN)0.392W上端场效应管损耗(PQ1)2.000W下端场效应管损耗(PQ2)1.790W控制电路损耗(PCONTROL)0.240W电源总损耗(PLOSS)5.174W电源输出功率(POUT)49.5W电源效率(η)90.5%Q1栅极损耗(PQ1_GATE)0.10WQ1传导损耗(PQ1_C)0.55WQ1开关损耗(PQ1_S)1.40WQ2栅极损耗(PQ2_GATE)0.10WQ2传导损耗(PQ2_C)1.43WQ2寄生二极管传导损耗(PQ2_D)0.26W场效应管损耗总结(Q1,Q2同为AOD412)4.降压式电路-MOSFET选择(3)实际电源上测试出来的效率是90.2%!输入电压(VIN=12V)和低输出电压(VOUT=3.3V)的同步降压式转换器而言，上端场效应管导通的时间很短(D=0.275)而下端场效应管导通的时间很长上端场效应管的开关损耗和下端场效应管的传导损耗较大。栅极电容较小（也就是QG较小，RDS_ON较大）的场效应管比较适用于上端开关栅极电容较大（也就是QG较大，RDS_ON较小）的场效应管比较适用于下端开关。4.降压式电路-MOSFET选择(4)5.降压式电路-高频输出电容特性(1)ESL0LC21f当电容器工作频率在f0以下时:fC2j1ZC当电容器工作频率在f0以上时:ESLCLf2jZ当电容器工作频率接近f0时:ESRCRZ谐振频率:高频等效模型封装典型电感值(nH)瓷片电容06030.808051.012061.212101.0钽电容08051.612062.214112.324122.8电解电容表面贴6.8引脚10电容ESRESL10uF/10V瓷片4mΩ1.25nH100uF/10V钽46mΩ3nH470uF/10V电解100mΩ15nH5.降压式电路-高频输出电容特性(2)Cap#11uF/10VY5V1206Cap#21uF/10VX7R1206-性能差别太大5.降压式电路-高频输出电容特性(3)-Y5V电容值随工作电压而变化大-Y5VESR值随工作电压而变化大-Y5V电容值随温度而变化大-X7R电容值ESR值随工作电压变化小5.降压式电路-高频输出电容特性(4)Cap#110uF/10VY5V1206Cap#21uF/10VX7R1206-性能较接近5.降压式电路-高频输出电容特性(5)Cap#110uF/10VY5V1206Cap#21uF/10VX7R12065.降压式电路-高频输出电容特性(6)(1)四颗1500μF，80mΩEEVFK0J152P电解电容(2)并联后电容值是6000μF