DC-DC变换器工程实例简介

1、刘德尚2013年12月26日1一、基础知识回顾二、工程实例介绍23CukBuck-BoostBoostBuck4 PWM PFM PSM Hybrid2、DC-DC变换器的调制模式5 电压电压模式模式控制控制 峰值电流峰值电流模式模式控制控制 平均平均电流模式电流模式控制控制 滞滞环电流模式环电流模式控制控制 相加相加模式模式控制控制 电荷电荷模式模式控制控制 迟滞模式控制迟滞模式控制3、DC-DC变换器的控制模式6电压模式控制优势具有较好的抗噪声裕量 占空比调节不受限制 多路输出电源之间交互 调节效应较好单环设计、调试比较容易负载调整率较好劣势线性调整率差 闭环增益随输入电压而变化 使补偿网

2、络设计更为复杂需要将主极点低频衰减，或 者增加一个零点进行补偿 在传感及控制磁芯饱和故障 状态方面较为麻烦复杂 电压模式控制BUCK变换器系统 7峰值电流模式控制优势输入电压的变化和输出负载 的变化的瞬态响应均快 控制环易于设计 简单自动的磁通平衡功能 逐个周期限流功能自动均流并联功能劣势占空比大于50%的开环不稳定 容易发生次谐波振荡 对噪声敏感，抗噪声性差 电路拓扑受限制多路输出电源的交互调节性能不好峰值电流模式控制BUCK变换器系统 8平均电流模式控制优势平均电感电流能够高度精确地 跟踪电流编程信号 不需要斜坡补偿 调试好的电路抗噪声性能优越 适合于任何电路拓扑对输入或 输出电流的控制

3、易于实现均流 劣势电流放大器在开关频率处的增益有最大限制 双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂平均电流模式控制BUCK变换器系统 9滞环电流模式控制优势不需要斜波补偿 稳定性好，不容易因噪声发生不稳定振荡劣势需要对电感电流全周期的检测和控制变频控制容易产生变频噪声滞环电流模式控制BUCK变换器系统 10相加模式控制优势属于单环控制 动态响应优于普通电压模式 在较少的输出滤波电容下可实 现过冲电压小电源并联时易于均流控制劣势需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制 相加模式控制BUCK变换器系统 VEAOUTOSCDriver VREFCOM PVEAVFBLogiccircuitPS

4、M OSVINLOCO输 出 电 感电 流 检 测CACfRLVOUTkLf11电荷模式控制优势反应速度快 不需要额外的补偿电路适用于电阻等线性负载和恒定 功率等非线性负载劣势输出电压跟随设定值阶跃变化的响应速度较慢应用领域尚需要开拓 电荷模式控制BUCK变换器系统 12迟滞模式控制优势无需补偿电路 瞬态响应速度快控制电路设计简单 劣势线性调整率差 需要高速比较器 存在双脉冲和次谐波振荡 迟滞模式控制BUCK变换器系统 13PS：又称Bang-Bang模式、基于纹波的控制模式，下面讲到的COT只是其中一种变形。3、控制模式比较与总结控制模式控制模式环路环路反馈信号反馈信号稳定性稳定性响应速度响

5、应速度电压模式电压模式电压单环输出电压需低频零点补偿线性调整率差峰值电流模式峰值电流模式电流环，电压环开关管峰值电流，输出电压斜坡补偿，电压快环补偿线性、负载调整率均较好平均电流模式平均电流模式电流环，电压环电感电流输出电压 内含斜坡补偿，双环补偿线性调整率差滞环电流模式滞环电流模式电流环，电压环电感电流输出电压滞环带内含斜坡补偿，稳定性好跟踪速度快相加模式相加模式电荷单环电感平均电流输出电压电压放大器补偿电容较小优于电压模式电荷模式电荷模式电荷单环开关管电流无需补偿响应速度快迟滞模式迟滞模式电压环输出电压无需补偿，次谐波振荡线性调整率差，负载调整率好1415系统功能、拓扑框架、应用背景？环路

6、控制模式、调制模式？稳定性问题、补偿方法？常见功能模块、具体实现形式？161718电压模环路控制：环路推导、内部集成补偿技术宽输入范围：耐压设计、对环路的影响常见功能模块的实现方式：基准、LDO、EA(误差放大器)、OSC(振荡器)、Current Limit(电流限电路)、Driver(驱动)19电压模式BUCKLCsRLCRsCsRVVsAVVsHLCCPINOUTREF2)/(11)()()()(212sAVVsZGmRRRVVOUTREFFFFOUTC其中：环路增益是反馈系数的函数，同时随着VOUT的增加而变小，同时受到A(s)的影响)()(sZGmsA)()(12sZsZVVOUTC

7、11)(FRsZ其中：221)(FFFREFOUTRRRVDCV环路增益不受运放开环增益及反馈系数的影响20l调制器级和功率级的增益推导LCsRLCRsCsRVVVVLCCPINCOUT2)/(11)(1)1(CLCLRRsCsCRR经计算可知方框内的等效阻抗为：INLCCOUTVLCsRLCRsCsRV2)/(11因此：)(sAVVVVOUTREFOUTCu 因此，转换器的增益为：n因此该增益为：l反馈、误差放大及补偿级增益为：LCsRLCRsCsRVVsAVVsHLCCPINOUTREF2)/(11)()(21传输函数请注意，环路增益直接作为VIN的函数来增加，这样中频增益应该根据在最大输

8、入电压下的工作来确定。在实际系统中，A(s)具有频率很低的极点和位于LC双极点之前的零点。这使得稳压器的DC环路增益远高于中频增益。不带环路补偿的电压模式降压稳压器的典型频率响应LCsRLCRsCsRVVsAVVsHLCCPINOUTREF2)/(11)()(22零点远低于极点频率，在此频率段内呈现电感特性！极点远低于零点频率，在此频率段内呈现电容特性！LM26772324BD9261等效原理图25整体电路架构图电流模环路控制：环路推导、斜坡补偿常见功能模块的实现方式：基准、LDO、EA(误差放大器)、OSC(振荡器)、RAMP(斜坡补偿电路)、恒流源电路26电流模式BUCK)(11)()(s

9、FhsCsRKRRsAVVsHPCiLOUTREF其中：2211)()5 . 0(11NPNCLsQssFhDmLTRK27D0.5时，电感电流的小扰动将会逐渐放大，导致次谐波震荡现象。下斜坡补偿：在控制电压Vc上减去一个斜率为Se的电压上斜坡补偿：在检测的电感电流信号上叠加一个斜率为Se的电压，不稳定现象将得到改善。28对于斜坡补偿，斜率越大，振荡衰减越快，但补偿斜率过大，会造成过补偿。过补偿会加剧斜坡补偿对系统开关电流限制指标的影响，从而降低系统的带载能力；另一方面，过补偿会影响系统瞬态响应特性。通常选择斜坡补偿斜率需根据需要折中考虑。工程应用上，通常折中将斜坡补偿信号的斜率设置为 75%

10、的采样电感电流下降或上升斜率。BD926129303132COT控制模式：工作原理、优缺点、稳定条件常见功能模块的实现方式：基准、LDO、环路比较器、On-Timer(定时器)、电流限电路、过零检测电路、驱动。3334Ripple-based ControlDrawback:Inconstant Frequency35Constant On Time ControlCCMDCMACOT36NCT328337在电容C1上面产生的纹波通过隔直电容Cdc耦合到 VFB端。产生的额外纹波幅值为：为了使系统能够稳定工作要求产生的额外纹波幅值满足以下条件：环路稳定问题上电、软启动耐压、耐流能耗分析异常处理机制Trimming（修调设计）EMI（电磁兼容问题）Layout（版图布局）电源完整性问题3839 导通损耗导通损耗：主要由以下三个部分产生：功率开关管、功率整流二极管、磁性元件 动态损耗（包括驱动态损耗（包括驱动损耗和交越损耗动损耗和交越损耗） 静态静态损耗损耗12IDbSCrossoverPVIf212DriverGGSPVCfQINQPVI40项目名称项目名称适用拓扑适用拓扑类型类型控制模式控制模式LM3520Boost for LED Driver电流模LM2