降压式开关电源设计要点ppt课件

1、降压电路 - 典型例子 (VIN=12V, VOUT=3.3V, IOUT=15A,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=1A PLOSS=(3.3-1.2)x1=2.1W Efficiency=1.2/3.3=36,VIN =3.3V, VOUT=1.2V, IOUT=1A PLOSS=(1-0.85)x3.3=0.5W Efficiency=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 -

2、 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,从上式得到电感电流上升斜率,电感电流的纹波值为,B) 当开关在“2”位置时， 电感器 (L) 二端的电压为,电感电流下降斜率为,电感电流的纹波值为,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 (01) D 1 - D Ts 开关周期 (uS) Fs 开关频率 (KHz,1.降压式开关电路初步介绍 - 功率器件电流波形,

3、波形中可总结这几点： 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 (IL(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 + IL/2,2. 降压式电路 - 典型要求,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）：VOUT (50mV) (4) 满载输出负载电流：IOUT (15A) (5) 电源效率： (90,功率器件: 滤波电感 (L) 输出滤波电容 (CO

4、UT) 输入滤波电容 (CIN) 功率场效应管 (Q1, Q2,电感和纹波电流,= 20% 30,2. 降压式电路 - 电感设计 (1,VIN = 12V，VOUT = 3.3V，IOUT = 15A， = 33%， fS = 300KHz，计算出来的电感值是 1.6H,电感峰值电流为 17.5A,2. 降压式电路 - 电感设计 (2,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

5、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1.9H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,2. 降压式电路 - 电感设计 (3,输出纹波电压 ( VOUT) 是 VCOUT，VESR，VESL 这三项的矢

6、量和,VCOUT 是由电感纹波电流在 COUT 上所产生的纹波电压 VESR是在 ESR 上所产生的纹波电压VESL是在 ESL 上所产生的纹波电压,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,一旦RESR确定，COUT 应满足,铝电解电容器工作电压的额定值要高于 1.5 VOUT,钽电容器工作电压的额定值要高于 2 VOUT,3. 降压式电路 - 输出电容设计 (2,COU

7、T 能允许的纹波电流 RMS 值应高于,松下 FK 和 WA 表面贴电解电容器参数,假如输出纹波电压要被控制在50 mV以下，那么: 输出电容的ESR值应小于12 m (50mV/4.2A) 输出电容值应大于 445F 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11.4 m (80/7) 功率损耗是 16.4 mW (1.21.211.4,3. 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

8、态变化值,如果用户要求电源负载电流在瞬间由满载变成空载 (IT = 15A) , 输出电压不能超出正常输出电压的 3% (VT = 3.3V0.03 = 100mV)，RESR 应小于 6.7 m (100/15)。这意味着需选用12颗1500F EVFK0J152P电解电容或三颗470F EEFWA0J471P Polymer电解电容,输入电容电流的RMS 值可近似为,6.7A RMS 纹波电流 四颗2200F/25V电解 功率损耗是 392 mW (6.76.78.75,3. 降压式电路 - 输出电容设计 (4,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

9、,选择开关电源功率场效应管的基本过程是这样： 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AOD12 VDS 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)。AOD12 VGS 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)。AOD12 VGS_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

10、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,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（

11、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,当电容器工作频率在 f0 以下时,当电容器工作频率在 f0 以上时,当电容器工作频率接近 f0 时,谐振频率,高频等效模型,5. 降压式电路 - 高频输出电容特性 (2,Cap #1 1uF/10V Y5V 1206 Cap #2 1uF/10V X7R 1206,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 Y5V ESR值随工作电压而变化大 Y5V 电容值随温度而变化大 -X7R

12、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 #1 10uF/10V Y5V 1206 Cap #2 1uF/10V X7R 1206,性能较接近,5. 降压式电路 - 高频输出电容特性 (5,Cap #1 10uF/10V Y5V 1206 Cap #2 1uF/10V X7R 1206,5. 降压式电路 - 高频输出电容特性 (6,四颗1500F，80m EEVFK0J152P 电解电容 并联后电容值是6000 F，ESR 是 20 m 电感纹波电流 (IL) 为 4.2A，输出纹波电压 84 mV (80 4.2/4) 能不能并联一个或多个瓷片电容

13、来减小输出电压纹波值,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (1,运用直流电路分析方式,PSPICE AC模拟 (图A) 瞬态模拟 (图 B,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (2,不能将输出电容的阻抗简单地 转换成 ESR 来进行电路分析,C1和 C2 的阻抗为,并联后的 CEQ 和 REQ 为,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (3,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (4,当 C1 = C2 和 R1 = R2，CEQ 和 REQ 才与频率无关。此时,如有 n 颗同一电容并联, 并联后的 CEQ 和 REQ 为,重新分析由四颗 1500F 电解电容和一颗 1F瓷片电容所组成的输出滤波电路,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (5,计算和模拟结果,当输出瓷片电容由一颗增加到三颗，输出纹波电