BUCK-电源工作原理.ppt

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1、2023/7/5,Buck电路工作原理分析：,2023/7/5,.,.,2023/7/5,Buck电路工作原理分析：,Vin,Vo,D,L,Io,S,S,UL,IL,Vin-Vo,-Vo,Io,D,1-D,T,根据L的伏秒平衡原则：,(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)T,Vo=Vin*D,L*Io=Vo*(1-D)T,Is,根据L在1-D时间的基本方程：,Io=Vo*(1-D)T/L,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,.,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,电感电流：（开关管 ON）Delta ILon=(Vin-Vo)*Ton/L,2023/7/5,Buck电路工作原

2、理分析,电感电流：（开关管 OFF）Delta ILoff=Vo*Toff/L,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,电感电流：,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,输出电容的电流波形：电感电流：输出电容电流：要选择工作纹波电流大，ESR小的输出电容，为降低输出纹波电压，可用多个小容量的电容并联使用。,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,根据负载大小变化，BUCK 电源工作在 CCM 与 DCM 两种状态。CCM:Continuous Current ModeDCM:Discontinuous Current Mode在CCM 模式，电感电流在整个周期内都时连续的，Po=

3、1/2*L*(IL12-IL22)在 DCM 模式，一个周期内，有段时间电感电流为零。Po=1/2*L*IL2=V02/R IL=sqrt(2*Vo2/LR),=,2023/7/5,两种模式下的工作电流波形：,.,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,电感电流波形：CCM,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,电感电流波形：DCM,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,由上可知，电感电流由直流（Io）和纹波电流（）两部分组成；在CCM 模式，电感电流随负载电流变化，但纹波分量并不改变，由此可以看出负载变化时占空比不变。当负载减小到使电感电流从刚好零开始时，此为CCM与DCM

4、转换的临界状态。进一步减小输出负载，此时并不需要很大的电感电流维持输出功率，电感开始减小，占空比也减小，而电感也在开关管下次导通之前电流降为零。电路进入 DCM 模式，在此模式下，占空比随着负载变化而变化。,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,模式间转换过程：DCM 模式，电感电压不为零？,2023/7/5,Buck电路工作原理分析,模式间转换过程：,2023/7/5,同步整流电路分析,非同步整流电路结构简单，容易驱动，但因作为续流的肖特基二极管管压降大，功率损耗较大，导致整个电源效率降低，所以一般用在输出电压较高，输出电流较小的场合；而对于用在低电压，大电流的场合，如 CPU 的供电

5、电源则需用同步整流电路。,2023/7/5,两种电路比较：,.,2023/7/5,.,同步电路应用实例：,2023/7/5,同步整流电路特点：同步整流电路用下MOS管代替开关换器的续流二极管，其导通电阻小，大大降低了整流损耗，提高了电源效率。因下管作续流管用，所以要求其体二极管的反向恢复电荷小，栅极电阻小，用开关特性好等。为一避免上下管同时导通，要求两管的驱动信号间须留有一死区时间，在死区时间内，电流从下管的体二极管内流过，增加了损耗。,2023/7/5,同步整流电路特点：,在稳态时，电感电流上升和下降的变化量是相等的，但上下管导通时间不同，两管的电流有效值也不同，导通时间越长，电流有效值大，

6、管子发热也大。根据上图计算上下管的电流有效值：Irmsup/Irmsdn=sqrt(D/(1-D)Vcore=Vin*D=D=Vcore/Vin=1.6/12=0.133 代入上式：Irmsup/Irmsdn=sqrt(0.133/(1-0.133)=0.4 Irmsdn=2.5Irmsup 所以下管必须用电流容量更大的管或双管并联。,2023/7/5,.,避免双管同时导通：,2023/7/5,多相变换器,.,2023/7/5,.,多相变换器做优点：将变换器产生的热量分布在各相电路上，而且散热面积大，不用散热片。各相电流叠加后纹波减小，降低了输出电压纹波幅度，减少了输出电容的数量。减小了单相大

7、电流时多管并联的设计难度和对磁芯的要求。降低了各相变换器的工作频率，减小元件分布参数的影响及干扰。,2023/7/5,CPU 电源解析：,.,2023/7/5,主变换电路：,.,2023/7/5,电路分析：,当电路中上管导通时，源极电压等于电源输入电压，因此驱动管的栅极电压=Vin+Vgs,IC 不能直接驱动，IC 内部将上管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电容组成偏置电路来驱动上管。,2023/7/5,上管驱动原理：,2023/7/5,.,MOS管的驱动电路：,2023/7/5,控制部分：,.,2023/7/5,PWM 调制原理,.,2023/7/5,PWM 调制原理,CPU工作时会根据负荷

8、的大小发出一组VID代码给电源IC，经过数/模转换后，得一模拟电压值，即为CPU 所需的工作电压。电源IC 以此电压为参考值，将之与CPU 实际电压信号的差值进行放大，得到误差信号Vcomp,再与电源IC 内部产生的锯齿波信号进行比较，产生PWM信号，控制开关管的关断，使输出电压调整到符合 VID 相应的电位。,2023/7/5,.,稳压原理：,2023/7/5,.,.,2023/7/5,.,限流检测(限流）：,2023/7/5,.,电流检测（通道平衡）：,2023/7/5,主板电源类型：,.,2023/7/5,.,通道电流平衡：为使每通道的达到热平衡，需要每通道的电感电流大小一致，IC内部处

9、理方式：采样每通道的电流，将各通道电流求和平均，与相电流相减，产生一个误差信号Ier，再和Vcomp相减，调整各相 PWM 宽度，达到电流平衡，各相 Ier为零时，则电流达到了平衡。电流平衡是通过检测流过下管Rds(on)来实现的。,2023/7/5,此外，为提高电源工作的可靠性，还需有UVP，OVP，OCP等功能，这此功能都集成到芯片内部。,2023/7/5,应用实例,.,2023/7/5,.,输出电压 Vo:IC内部集成了一个有关0.9V 基准电压的误差放大器,所以:Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V,2023/7/5,.,根据以下条件计算相关参数：Vin=5V Vo

10、=2.5V Io=3.0A Fs=300KHz根据前面公式：Duty=Vo/Vin=2.5/5=0.5 Ton=0.5/300000=1.67uS 设：Io=Io*10%=3.0*30%=0.9A L=(Vin-V0)*Ton/Io=(5-2.5)*1.67/0.9=4.7uH,2023/7/5,.,Buck电路特点:效率高,可靠性好工作频率高,使电路中电压/电流波形的快瞬变化,产生电磁幅射干扰.元件布局和PCB布线难度较大.输出电压纹波比较大.电路复杂,成本高.,2023/7/5,.,线性电源,2023/7/5,线性电源分类：,.,2023/7/5,线性电源,线性电源特点：电路简单，不会产生

11、干扰，输出纹波小，调整管工作在放大状态，功耗大，效率低，发热量大，降低了元件的可靠性，因此线性适合用于输入/输出压差小，电流小的场合。,2023/7/5,线性电源：OP+MOS 形式,.,2023/7/5,线性电源,注意事项：Vo=2.5*R585/(R584+R585)ID Iomax PD(Vin-Vo)*Iomax Vg Vo+Vgs保证漏源极间的压差使MOS管工作在放大状态:当输出为静态负载时，可在 IC 一二脚间并联一小电容，减小输出纹波；动态负载时则不需此电容，以提高电路的动态响态速度。,2023/7/5,MOS管的工作状态：,2023/7/5,.,线性电源,2023/7/5,.,求复合管的输出电压：根据上图得NPN管的Vb=R235/(r234+R235)=2.2V则 Vo=2.2V-0.7V=1.5V分析此问题时，忽略了Ib的影响，因此在确定电路参数时，使IR 235 Ib,在输出负载变化引起Ib 变化时,使 Vb 不受太大影响,保证输出电压的稳定。,2023/7/5,.,LDO 电路:Low Drop Out 右图时LDO电路原理图使用时注意以下几点：V0=Vref*(R1+R2)/R2Io spec.规定值发热问题同线性电路但效率较高,2023/7/5,.,.,2023/7/5,.,应用电路：,