Buck-电路结构详解(Analog-Devices培训资料).

TheWorldLeaderinHigh-PerformanceSignalProcessingSolutionsDC-DC降压转换器基础与设计流程2概述降压转换器基础能量传输波形伏秒平衡同步与异步/电流连续模式（CCM）与电流断续模式（DCM）经典控制结构电压模式电流模式理想转换器的器件选择功率电感功率MOSFET输出电容基于EXCEL的下载工具非理想转换器的器件选择TheWorldLeaderinHigh-PerformanceSignalProcessingSolutions降压转换器基础&Power!4降压型DC-DC转换器基础输出电压低于输入电压包含两个开关、一个电感和一个输出电容在导通时间内，电感电流从输入流向输出。因电感两端承受正向电压，电感电流上升在关断时间内，电感电流从地流向输出。因电感两端承受反向电压，电感电流下降导通时间内储存在电感中的能量，在关断时间内向负载释放InputOutputLoadCurrentOn-TimeInputOutputLoadCurrentOff-TimeABBA5DC-DC降压转换器：简化波形InputOutputLoadIONOn-TimeInputOutputLoadIOFFOff-TimeABBACCLLVSWVSWIONIOFFILICtontoffTVsw面积相等。稳态时VoutILOAD。ILIL2假设开关A和B由固定频率的互补方波信号驱动6DC-DC降压转换器：伏秒平衡在稳态工作时，每个周期开始和结束时的电感电流都相等（伏秒平衡）在导通时间内：在关断时间内：占空比：ONOUTINLtLVVIOFFOUTLtLVIILILINOUTONLOFFLOFFLOFFONONVVVVVtttD7DC-DC降压转换器：同步与异步/电流连续模式与电流断续模式开关B可以是一个二极管或NMOS器件若开关B是二极管电感中不会有负电流在轻负载时进入电流断续模式（DCM）在低电流（2A）时方案成本较低若开关B是MOSFET电感允许有负电流。在全负载范围内均是电流连续模式（CCM）电流较高时，效率明显较高增加了门极驱动电路的复杂性轻负载效率非常低采用智能驱动防止反向电流，可使轻负载效率更高InputOutputInputOutputABCCLLABCurrentCurrentLightLoadLightLoadInductorCurrentInductorCurrentTheWorldLeaderinHigh-PerformanceSignalProcessingSolutions经典控制结构&Power!9DC-DC降压转换器：电压模式控制VPKOscillatorFlip-FlopSRQQControlInput+-+-PWMSignal我们需要在电源环路中引入一个负反馈进行扰动衰减电压模式下，脉宽调制（PWM）信号通过以下方式驱动功率开关：PWM信号频率固定——PWM信号的上升沿由振荡器设定PWM信号的下降沿通过比较输入控制电压和一个固定的锯齿波电压进行调制输入控制电压与输出电压的目标值和实际值之间的整体误差成正比10DC-DC降压转换器：电压模式控制脉宽调制脉宽调制器电路与波形PKCONTROLOFFONONVVtttDSetSignalRampandControlVoltageResetSignalPWMSignalVPKRampVoltageControlVoltageVCtONtOFFVPKOscillatorFlip-FlopSRQQControlInput+-+-PWMSignal11电压模式控制：负反馈定性评述LoadCurrentOutputVoltageControlVoltageSetSignalRampandControlVoltageResetSignalPWMSignalVPKRampVoltageControlVoltageVCtONtOFF12LC滤波器将SW节点的PWM波形转换为输出电压所有电容均有等效串联电阻（ESR）输出电容的等效串联电阻向环路增益中加入零点OUTOUTESRLCCLwLCoutRLCoutjwCjwRA211LCOUTRLOADVOUTVSWESR零点对复数极点DC-DC降压转换器：电压模式控制输出滤波器传递函数13-20dB/decALC(f)f-40dB/dec0dB0°-180°Phase(°)Gain(dB)DC-DC降压转换器：电压模式控制输出滤波器传递函数14DC-DC降压转换器：电压模式控制III型补偿电压输出误差放大器III型补偿三个极点（一个在原点）两个零点*-假设为理想运放：增益带宽无限2301012310331111*CCCCCCCTOPCCCTOPTOPEACjwRCCCCjwRjwCRRjwCjwRCRRRRAVoutVREF-+ControlVoltageCC1RCRTOPRBOTTOMCC0CC2R315DC-DC降压转换器：电压模式控制III型补偿电压输出误差放大器III型补偿三个极点（一个在原点）两个零点提高了直流精度*-假设为理想运放：增益带宽无限22323201011231102)(11111*CCCCCCCCEACCcRRRRjwCCCCjwRjwCjwRCjwRCRAVoutVREF-+ControlVoltageCC1R1R3RBOTTOMCC0C2R216DC-DC降压转换器：电压模式控制III型补偿Gain(dB)AEA(f)f-20dB/dec-20dB/decf-9090Phase(°)17DC-DC降压转换器：电压模式控制PWM直流增益RampandControlVoltagePWMSignalVPKRampVoltageControlVoltageVCtONtOFF脉宽调制器比较控制电压和锯齿波电压锯齿波电压峰值为VPKINOUTPKCTRLOFFONONVVVVtttPKINPWMVVA18总增益是每一部分增益的乘积误差放大器增益：调制器增益：LC滤波器增益：电压模式降压型DC-DC转换器的总环路增益PKINPWMVVAOUTOUTESRCCCCCCCTOPCCCTOPTOPPKINLOOPCLwLCoutRLCoutjwCjwRCjwRCCCCjwRjwCRRjwCjwRCRRRRVVA22301012310331111112301012310331111*CCCCCCCTOPCCCTOPTOPEACjwRCCCCjwRjwCRRjwCjwRCRRRRAOUTOUTESRLCCLwLCoutRLCoutjwCjwRA211DC-DC降压转换器：电压模式控制总环路增益19f-20dB/dec-20dB/decfcrossGain(dB)Aloop(f)Phase(°)-180°0°DC-DC降压转换器：电压模式控制波特图20电压模式控制的优势和挑战优势非常容易理解瞬态响应好环路增益与带前馈的Vin无关可获得比电流模式更高的闭环带宽最小导通时间和最小关断时间比电流模式明显缩短可以输入或输出电流（DDR）通常抖动较低环路增益元件容差低，无需调整挑战Vin不带前馈时（ADP182x）环路增益改变LC振荡若未衰减掉则有相位衰减稳定性依赖于ESR零点可能有问题未知输出电容能够轻易引起不稳定21DC-DC降压转换器：电流模式控制采用电流模式控制PWM信号频率固定——PWM信号的上升沿由振荡器设定PWM信号的下降沿通过比较输入控制电压和一个等效电感电流信号进行调制输入控制电压与输出电流成正比OscillatorFlip-FlopSRQQControlInput+-PWMSignalInductorCurrent22电流模式控制脉宽调制器电路与波形OscillatorFlip-FlopSRQQControlInput+-PWMSignalInductorCurrentSetSignalInductorCurrent&ControlVoltageResetSignalPWMSignalControlVoltageInductorCurrentSensedSignaltONtOFF*所示为峰值电流模式我们将重温电流模式的变化23电流模式控制检测电流……殊途同归VinVout+-AcsVinVout+-AcsVinVout+-AcsRsenseVinVout+-Acs低端开关导通电阻检测高端开关导通电阻检测低端检测电阻电感检测电阻高端检测电阻仿真电流Vin+-AcsDLVin+-AcsRsenseVout24DC-DC降压转换器：电流模式控制输出滤波器传递函数LC滤波器将SW节点的PWM波形转换为输出电压，但因电感电流由PWM模块调节，电感充当电流源，传递函数中无复阻抗OUTESRLOADOUTESRLOADINDUTOCRRjwCjwRRi)(11LCOUTRLOADVOUTIINDESR零点单极点（电压模式是对复数极点）25DC-DC降压转换器：电流模式控制II型补偿跨导误差放大器两个极点（一个非常低）一个零点01010111)(1CCCCCCCCCMOUTCTRLCCCCjwRCCjwCjwRGVoutVrefOutputVREF-+ControlVoltageCC1RCRBOTTOMRTOPCC026降压型DC-DC转换器电流模式环路增益脉宽调制器比较控制电压和电感电流AcsRsGiCSCTRLIND*1ControlVoltageCTRLINDit27DC-DC降压转换器电流模式控制总环路增益总增益是每一部分增益的乘积误差放大器：调制器：LC滤波器：电流模式降压型DC-DC转换器的总环路增益`01010111)(1CCCCCCCCCMOUTCTRLCCCCjwRCCjwCjwRGVoutVref01010111)(1)(11*CCCCCCCCCOUTESRLOADOUTESRLOADCSMINDUTOLOOPCCCCjwRCCjwCjwRCRRjwCjwRRGGVoutVrefiACSCTRLINDCTRLINDGVIiOUTESRLOADOUTESRLOADINDUTOCRRjwCjwRRi)(11*-不考虑高频采样极点28电流模式控制降压转换器波特图-20dB/decAloop(f)fdBFcrossfPhaseMargin90°若适当取消零点和极点OUTESRLOADOUTESRCCCCCCCCCBOTTOMTOPBOTTOMLOADCSMLOOPCRRjwCjwRCCCCjwRCCjwCjwRRRRRGGA)(11)1)((1100110129电流模式控制优势与挑战优势通常电流模式控制本身具有限流特性补偿电流模式比电压模式简单增加电容通常不会导致不稳定（只是降低带宽）电流模式芯片可以更方便地用于多种拓扑结构减少了器件数量挑战检测电流需有最小导通和最小关断时间要求－减少了应用空间高带宽电流检测放大器对噪声敏感大多数情况下，电流模式转换器的带宽不如电压模式转换器高需要解决次谐波振荡不稳定问题通常抖动高于电压模式多开关之间串扰TheWorldLeaderinHigh-PerformanceSignalProcessingSolutions器件选择&Power!31DC-DC降