BUCK-电源工作原理

1、2020/8/12,Buck电路工作原理分析：,2020/8/12,.,.,2020/8/12,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,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,.,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,电感电流： （开关管 ON） Delta ILon= (Vin-Vo)*Ton/L,2020/8/

2、12,Buck电路工作原理分析,电感电流： （开关管 OFF） Delta ILoff= Vo*Toff/L,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,电感电流：,2020/8/12,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。,2020/8/12,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 Mode DCM: Discontinuous Current Mode 在

3、CCM 模式，电感电流在整个周期内都时连续的， Po=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),=,2020/8/12,两种模式下的工作电流波形：,.,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,电感电流波形： CCM,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,电感电流波形：DCM,2020/8/12,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

4、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 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。,2020/8/12,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？,2020/8/12,Buck电路工作原理分析,模式间转换过程：,2020/8/12,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

5、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 的供电电源则需用同步整流电路。,2020/8/12,两种电路比较：,.,2020/8/12,.,同步电路应用实例：,2020/8/12,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。,2020/8/12,同步整流电路特点：,在稳态时，电感电流上升

6、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，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。,2020/8/12,.,避免双管同时导通：,2020/8/12,多相变换器,.,2020/8/12,.,多相变换器做优点： 将变换器产生的热量分布在各相电路

7、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。,2020/8/12,CPU 电源解析：,.,2020/8/12,主变换电路：,.,2020/8/12,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。,2020/8/12,上管驱动原理：,2020/8/12,.,MOS管的驱动电路：,

8、2020/8/12,控制部分：,.,2020/8/12,PWM 调制原理,.,2020/8/12,PWM 调制原理,CPU工作时会根据负荷的大小发出一组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。,2020/8/12,.,稳压原理：,2020/8/12,.,.,2020/8/12,.,限流检测(限流）：,2020/8/12,.,电流检测（通道

9、平衡）：,2020/8/12,主板电源类型：,.,2020/8/12,.,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。,2020/8/12,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。,2020/8/12,应用实例,.,2020/8/12,.,输出电压 Vo: IC内部集成了一个有

10、关0.9V 基准电压的误差放大器, 所以: Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V,2020/8/12,.,根据以下条件计算相关参数： Vin = 5V Vo=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,2020/8/12,.,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

11、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.,2020/8/12,.,线性电源,2020/8/12,线性电源分类：,.,2020/8/12,线性电源,线性电源特点： 电路简单，不会产生干扰，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。,2020/8/12,线性电源： OP + MOS 形式,.,2020/8/12,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。,2020/8/12,MOS管的工作状态：,2020/8/12,.,线性电源,2020/8/12,.,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