DC-DC变换器工程实例简介

DC-DC变换器工程实例简介第一页，共42页。一、基础知识回顾二、工程实例介绍内容提要2第二页，共42页。一、基础知识回顾3第三页，共42页。1、DC-DC变换器的四种基本的拓扑结构CukBuck-BoostBoostBuck4第四页，共42页。

PWM

PFM

PSMHybrid2、DC-DC变换器的调制模式5第五页，共42页。电压模式控制峰值电流模式控制平均电流模式控制滞环电流模式控制相加模式控制电荷模式控制迟滞模式控制3、DC-DC变换器的控制模式6第六页，共42页。电压模式控制优势①具有较好的抗噪声裕量②占空比调节不受限制③多路输出电源之间交互调节效应较好④单环设计、调试比较容易⑤负载调整率较好劣势①线性调整率差②闭环增益随输入电压而变化使补偿网络设计更为复杂③需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿④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第七页，共42页。峰值电流模式控制优势①输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快②控制环易于设计③简单自动的磁通平衡功能④逐个周期限流功能⑤自动均流并联功能劣势①占空比大于50%的开环不稳定②容易发生次谐波振荡③对噪声敏感，抗噪声性差④电路拓扑受限制⑤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第八页，共42页。平均电流模式控制优势①平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号②不需要斜坡补偿③调试好的电路抗噪声性能优越④适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制⑤易于实现均流劣势①电流放大器在开关频率处的增益有最大限制②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第九页，共42页。滞环电流模式控制优势①不需要斜波补偿②稳定性好，不容易因噪声发生不稳定振荡劣势①需要对电感电流全周期的检测和控制②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第十页，共42页。相加模式控制优势①属于单环控制②动态响应优于普通电压模式③在较少的输出滤波电容下可实现过冲电压小④电源并联时易于均流控制劣势①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11第十一页，共42页。电荷模式控制优势①反应速度快②不需要额外的补偿电路③适用于电阻等线性负载和恒定功率等非线性负载劣势①输出电压跟随设定值阶跃变化的响应速度较慢②应用领域尚需要开拓电荷模式控制BUCK变换器系统12第十二页，共42页。迟滞模式控制优势①无需补偿电路②瞬态响应速度快③控制电路设计简单

劣势①线性调整率差②需要高速比较器③存在双脉冲和次谐波振荡

迟滞模式控制BUCK变换器系统PS：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。13第十三页，共42页。3、控制模式比较与总结控制模式环路反馈信号稳定性响应速度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单环开关管电流无需补偿响应速度快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14第十四页，共42页。二、工程实例介绍15第十五页，共42页。系统功能、拓扑框架、应用背景？环路控制模式、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？重点关注：16第十六页，共42页。实例一：LM2677（电压模/BUCK）17第十七页，共42页。18第十八页，共42页。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)、CurrentLimit(电流限电路)、Driver(驱动)实例一学习重点：19第十九页，共42页。电压模式的传输函数电压模式BUCK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)的影响其中：环路增益不受运放开环增益及反馈系数的影响20第二十页，共42页。电压模式的传输函数推导调制器级和功率级的增益推导经计算可知方框内的等效阻抗为：因此：因此，转换器的增益为：因此该增益为：反馈、误差放大及补偿级增益为：21第二十一页，共42页。电压模式的环路响应传输函数请注意，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22第二十二页，共42页。内部集成频率补偿网络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！LM267723第二十三页，共42页。实例二：BD9261（电流模/BOOST）BD9261等效原理图24第二十四页，共42页。整体电路架构图25第二十五页，共42页。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)、恒流源电路实例二学习重点：26第二十六页，共42页。电流模式的传输函数电流模式BUCK其中：27第二十七页，共42页。斜坡补偿D>0.5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第二十八页，共42页。斜坡斜率的选择对于斜坡补偿，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%的采样电感电流下降或上升斜率。BD926129第二十九页，共42页。BD9261中斜坡补偿仿真结果30第三十页，共42页。实例三：NCT3283（COT模式/BUCK）31第三十一页，共42页。32第三十二页，共42页。COT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。实例三学习重点：33第三十三页，共42页。Ripple-basedControlDrawback:InconstantFrequency34第三十四页，共42页。ConstantOnTimeControlCCMDCMACOT35第三十五页，共42页。稳定性分析NCT328336第三十六页，共42页。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：外部斜坡补偿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：37第三十七页，共42页。常见工程问题总结环路稳定问题上电、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38第三十八页，共42页。能耗分析①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②动态损耗（包括驱动损耗和交越损耗）③静态损耗39第三十九页，共42页。PM组DC-DC变换器项目列表项目名称适用拓扑类型控制模式LM3520BoostforLED

Driver电流模LM2677Buck电压模LT1937BoostforLEDDriver电流模NCP1521Buck