BUCK降压的原理简介

SERVICEINTEGRITYINNOVATIONSHARINGBUCKDC/DCConvertorGMTFAE：Billy.Chen致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential几种基本类型的开关电源1-1．几种基本类型的开关电源开关电源：利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式：1.频率、脉冲宽度固定模式，2.频率固定、脉冲宽度可变模式，3.频率、脉冲宽度可变模式。DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换多采用第一种工作模式。以开关器件在电路联接方式分类：1.串联式开关电源（BUCK）、2.并联式开关电源（BOOST）、3.变压器式开关电源（BUCK－BOOST）。致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential串联式开关电源1-2-1．串联式开关电源的工作原理RUiKUoUi/UpUoUa0ToffTtTon图1-1a图1-1b串联式开关电源输出电压的波形Ui是开关电源的工作电压，即直流输入电压K是控制开关R是负载K导通输出Up/Ton(Up=Ui)K截止Up/Toff(Up=0)Ua是开关电源输出电压平均值UiDTTonUiUa*致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential串联式开关电源1-2-1．串联式开关电源输出电压滤波电路因多数电源输出都是直流电压，因此，输出电路都带有整流滤波电路。RUiKUoLCDeL、iLUoUcUo图1-2L是储能滤波电感作用：Ton周期时，限制大电流通过，防止Ton时输入电压直接加到负载R上，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储。Toff周期时,磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出C是储能滤波电容作用：Ton周期时，把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，Toff周期时，把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出D是整流二极管作用：主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，Toff周期时，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential串联式开关电源1-2-1．串联式开关电源输出电压滤波电路在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。对于图1-2，如果不看控制开关K和输入电压Ui，它是一个典型的反г型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。RUoLCDeL、iLUoUcUo图1-2致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidentialBUCKConvertor基本操作VD1Vin-Vo-VooIIoD1-DT0VLILIS000VsQ1LD1CR++-VsLD1CR++-VsLD1CR++-Q1TurnONQ1TurnOFF连续模式下的BUCK电路各点波形致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidentialContinuousModeVS.DiscontinousMode在大多数BUCK应用中，电感电流在整个负载工作周期中都不会降到0点。但在一些应用中，最大负载非常轻时，设计在非连续模式可以使用更小的电感值VD1Vin-Vo-VooIIoD1-DT0VLILIS000致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential同步降压VS.非同步降压对于更高负载电流的应用时，同步模式具有比非同步BUCK更高的效率但同步模式需要解决一个OVER-SHOOT的问题，OVER-SHOOT就是Q1、Q2同时导通，此时Vs将产生一个很大的瞬间电流，这是不容许发生的VsQ1LD1CR++-VsQ1LCR++-同步降压非同步降压致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential降压型转换器DUTY的确定VsQ1LD1CR++-VsQ1LCR++-Vout=D*VstTsDTs0VsVsw(t)Fs=1/Ts=switchingfrequency0D1VoVsVo=1Tsfvo(t)dt=DVsD=VoVs致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输入电容器的设计考量致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输出电感的选择（ΔIL）VinLOADLCoutRsenseVL=Vin-Vout+-DTswVoutLOADLCoutRsenseVL=-Vout+-(1-D)TswIL(+)IL(+)IL(-)IL(-)HSLSIHSILS+IDILDHDLVinSWILOADILIL致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential∵∴IF输出电感的选择（ΔIL）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输出电感的选择（L）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential输出电容的选择（Cout）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential■LC串聯諧振現象输出电容的选择（Cout）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential∵∴But…输出电容的选择（Cout）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidentialHSLSDHDLVinVoutSWDCRESRLOADLCoutRsense输出电容的选择（Cout）致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential■選擇電容除了容值計算之外必須考慮ESR的大小。■為了降低ESR我們可以將電容並聯使用，一方面降低ESR；一方面可增加電容量。■選擇電容必須注意溫度特性以及頻率特性。■電容所能承受的電壓以及交流電流也必須考量。输出电容的选择（Cout）SERVICEINTEGRITYINNOVATIONSHARING内置开关FET、同步降压型DC/DC(G5626P11U设计实例）GMTFAE：Billy.Chen致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidentialG5626P11U的主要特点高效率：最大94％输出电流：最大2.0A持续工作电流输入电压范围：2.5VTO5.5V工作频率：1MHz无需续流二极管低压差状态下工作：支持100％占空比高精度基准电压：0.8V±2%断开模式下的耗电流：20uA内置开关FET：PMOS:0.116；NMOS:0.093采用电流模式，输入和输出瞬态响应快内置过温保护：160封装：SOP-8致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential外接电感的计算和选择G5626P11U的设计参数：输入电压：5.0V输出电压：1.8V/2.0A输出纹波：20mV根据临界电感公式计算电感的最小值：0.288uH但为减小输出纹波和电感上的PEAK电流，实际应用通常使ΔIL＝20％Iout计算可知，此时电感值为2.88uH选择2.2uH或3.3uH都是可以的，这里我们选择电感为2.2uH当电感为2.2uH时，计算ΔIL为：ΔIPeak=(Vin-Vout)*DLf=(5-1.8)*(1.8/5)2.2uH*1MHz=0.524A致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential外接电感的计算和选择∵ΔIPeak=(Vin-Vout)*DLf=(5-1.8)*(1.8/5)2.2uH*1MHz=0.524A∴ILMAX=Iout+ΔIPeak=2.524A根据上述的计算结果，电感选择感量为2.2uH；耐电流需大于2.524A致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidential外接电容的计算和选择G5626P11U的设计参数：输入电压：5.0V输出电压：1.8V/2.0A输出纹波：20mVC=ΔIPeak8*f*ΔVo=0.5248*1MHz*20mV=3.275uF通常需要选择更大的电容以满足纹波电流的需要，和因电容ESR产生的影响10uF或22uF是被建议的。电容器的种类无论是输出电容还是输入电容，使用陶瓷电容对于ESR的减小和小型化十分有利，但是电源电路是发热源，因尽量选择温度系数较好的陶瓷电容。X7R和X5R是被建议的，在输入和输出部分的应用。致新科技股份有限公司GlobalMixed-modeTechnologyInc.GMTConfidentialPCBLayout需特别注意的地方