DC-DC电源基础知识PPT幻灯片课件

DC DC电源基础知识 目录1 DC DC电源分类及工作原理2 DC DC电源典型电路分析3 PWM控制原理4 关键器件选择5 DC DC电源PCB布局 DC DC电源是一类直流转换为直流的电源 应用 数字电路 电子通信设备 卫星导航 遥感遥测 地面雷达 消防 设备和医疗器械教学设备等诸多领域 优点 功耗小 效率高 体积小 重量轻 可靠性高 自身抗干扰性强 输出电压范围宽 模块化 DC DC电源分类及工作原理 DC DC电源分类及工作原理 3 3V 1 5V 12V 3 3V 3 3V 1 1V DC DC电源可分为三大类 Buckconverter 降压型 Boostconverter 升压型 Buck boostconverter 降压升压型 DC DC电源分类及工作原理 1 1Buckconverter 降压型 Vo Vin DD 1 Vo Vin DC DC电源分类及工作原理 降压变换器原理图 1 开关连接当开关处于连接状态时 电感电流为 电感两端的电压为 Vi Vo 此时电感由电压 Vi Vo 励磁 电感增加的磁通为 Vi Vo Ton 此期间 电感存储能量 同时电路对电容充电和给负载供电 DC DC电源分类及工作原理 2 开关断开当开关处于断开状态时 电感电流为当开关处于断开期间 由于输出电流的连续 二极管VD变为导通 电感削磁 电感减少的磁通为 Vo Toff 存储在电感和电容里的能量释放出来给负载 通过续流二极管形成回路 DC DC电源分类及工作原理 DC DC电源分类及工作原理 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时 Vi Vo Ton Vo Toff 由于占空比DVo 实现降压功能 1 2Boostconverter 升压型 DC DC电源分类及工作原理 升压变换器原理图 Vo Vin 1 D DVin 1 开关连接当开关处于连接状态时 通过电感的电流为 当开关闭合时 输入电压加在电感上 此时电感由电压 Vi 励磁 电感增加的磁通为 Vi Ton DC DC电源分类及工作原理 2 开关断开当开关处于断开状态时 通过电感的电流为 当开关断开时 由于输出电流的连续 二极管VD变为导通 电感削磁 电感减少的磁通为 Vo Vi Toff 当开关处于断开期间 存储在电感的能量释放到输出端 同时电源端的电压也加到输出端 即为Vo Vi VL DC DC电源分类及工作原理 DC DC电源分类及工作原理 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时 Vi Ton Vo Vi Toff 由于占空比D 1 所以Vi Vo 实现升压功能 1 3Buck boostconverter 降压升压型 Vo Vin D 1 D VoVin 当D 0 5 DC DC电源分类及工作原理 升降压变换器原理图 1 开关连接当开关处于连接状态时 通过电感的电流为 更换当开关闭合时 此时电感由电压 Vi 励磁 电感增加的磁通为 Vi Ton 当开关处于连接期间 电源输出的能量存储在电感当中 同时已充电的电容给负载供电 负载电压极性与电源电压相反 DC DC电源分类及工作原理 2 开关断开当开关处于断开状态时 通过电感的电流为 当开关断开时 电感削磁 电感减少的磁通为 Vo Toff 当开关处于断开期间 存储在电感中的能量释放出来 传送给负载和电容 此时负载电压极性与电源极性相反 DC DC电源分类及工作原理 DC DC电源分类及工作原理 当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时 增加的磁通等于减少的磁通 Vi Ton Vo Toff 根据Ton比Toff值不同 可能ViVo 典型电路分析 非MOS开关管集成的RT8105 TI公司TPS54627 TI公司TPS54329 SY8032E 设计时常用的电源芯片 G9661 典型电路分析 以电源芯片TPS54329为例 芯片内部原理框图 4 5V至18V输入 3A同步降压 输出电压范围 0 76V 7 0V 可调节软启动时间 过电流保护 低电压锁定保护 热关断保护 8管脚封装 底部中间有地 软启动 控制软启动时间 通过分压电阻获取反馈电压 欠压锁定保护 确保高侧FET良好导通 典型电路分析 芯片运用的原理图 直流增益是由输出电压决定 所需的电感值将随着输出电压的增加而增加 对于等于或高于1 8V的输出电压 通过增加一个前馈电容 C4 与R1并联可将相位提高 PWM控制原理 开关电源利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压 脉冲调制方式主要分为 PFM PulseFrequencyModulation 脉冲频率调制 特点 对于外围电路相同 在峰值效率以前 其效率远比PWM的高 且响应速度较快 但不易实现 通常被应用于DC DC转换器来提高轻负载效率 PWM PulseWidthModulation 脉冲宽度调制 特点 在重载时效率高 噪音低且较于PFM易于实现 成为目前主流技术 工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式 在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制 PWM 模式 PWM开关稳压器基本工作原理就是在输入电压变化 内部参数变化 外接负载变化的情况下 控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈 调节主电路开关器件的导通脉冲宽度 使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定 PWM控制方式 电压控制模式 电流控制模式 1 电压控制模式 利用输出电压作为反馈控制信号 占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差差值 2 电流控制模式 同时采用电流和负载电压作为控制信号 占空比正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值 PWM控制原理 3 1典型的电压控制模式 控制回路包括由R1和RB组成的电阻分压器 电压误差放大器 PWM比较器 又称PWM调制器 以及功率管驱动电路等模块 图中Vref是由带隙基准源提供的基准电压 斜坡振荡器提供斜坡输入信号Vramp 它的频率等于开关频率 uG PWM控制原理 稳压过程 1 当输出电压U0增大时 取样电压UNI会同时增大 可简述为 2 当输出电压U0减小时 取样电压UNI会同时减小 可简述为 PWM控制原理 优点 1 PWM三角波幅值较大 脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量 2 占空比调节不受限制 3 对输出负载的变化有较好的响应调节 缺点 1 对输入电压与负载电流的变化动态响应比较慢 因为系统为响应负载电流或输入电源的变化 必须 等待 负载电压的相应变化 由此引起控制信号Verr的变化后 才能实现对占空比d的调节 通常这种等待或延迟会影响系统的稳压特性 2 输出LC滤波器给控制环增加了双极点 在补偿设计误差放大器时 需要将主极点低频衰减 或者增加一个零点进行补偿 PWM控制原理 3 2典型的电流控制模式 采用电流模式控制可以消除电压控制模式的 等待 问题 峰值电流控制模式PWM开关电源系统 PWM控制原理 电路中的振荡器产生频率为fs的线性斜坡信号和频率fs同步送出正窄脉冲信号 此外 电路中还增设了检测电感电流信号的电流检测电阻RS 电流检测放大器和RS触发器 RS和电流检测放大器用于产生正比于电感电流瞬时值的电压Vsens RS触发器用于实现依据电感电流瞬时值的大小控制功率管截止的时刻 由误差放大器对基准电压Vref和负载电压分量Vo Rb Ri Rb 之间的差值进行放大 得到控制信号VC 由于在一个开关周期时间内 负载电压的变化量很小 可近似认为在同一个开关周期时间内Vc值不变 以Vc表示 Vc被送到PWM比较器的反相输入端 而送至PWM比较器的同相输入端的 则是由Vsens和斜坡补偿信号Vramp相加后得到合成信号 Vsens Vramp PWM控制原理 PWM控制原理 电流控制PWM的优点 1 暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快 2 瞬时峰值电流限流功能 3 输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美 缺点 1 占空比大于50 的开环不稳定性 存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差 2 容易发生次谐波振荡 关键器件选择 电感Q值 也叫电感的品质因素 是衡量电感器件的主要参数 是指电感器在某一频率的交流电压下工作时 所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比 电感器的Q值越高 其损耗越小 效率越高 Q值过大 引起电感烧毁 电容击穿 电路振荡 4 1输出电感 作用能够将电能转化为磁能而存储起来 由于电感电流不可突变从而维持整个开关周期电流的持续输出 较大的电感提供较低的峰值电流和较低的损耗 可以提高效率 还可以减小纹波电流和纹波电压 较小的电感通常带来较低的效率 但是由于其电流有更快速变化的能力 在负载变化时可以提供更快速的响应 感值选择电感的大小可以根据纹波电流计算得到 IL取负载电流的30 左右 饱和电流电感饱和电流一般为电感峰值电流的1 25 1 5倍 如果小于电路的峰值电流 那么电感量就会变小 达不到滤波效果 关键器件选择 4 2分压电阻作用输出电压通过R1和R2组成分压网络反馈给控制电路 控制PWM占空比 从而控制开关管的导通和截止 达到稳定输出电压的目的 所以分压电阻很重要的作用是设置Buck电路的输出电压值 计算公式如下 精度选择为确保电路的高精确度 分压电阻一般选用精度为1 关键器件选择 4 3输入电容电容特性右图为实际的电容模型 故其实际阻抗为 当频率较低时 可忽略jwL 电容呈容性 当频率较高时 可忽略1 jwC 电容呈感性 当jwL 1 jwL 0时 电容呈电阻特性 此时阻抗最小 对应的频率为自然谐振频率f0 大容值的电容通常具有较大的等效电感 因而其自谐振频率较小 所以比较适合用于滤除低频干扰噪声 小容值的电容通常等效电感也较小 因此自谐振频率较大 所以适合用于滤除高频干扰噪声 利用不同电容组合并联的形式 可以起到很好的滤波效果 关键器件选择 输入电容的作用输入电容的作用是保持输入电压稳定在一定的范围内 并且滤除输入直流电压中的交流成分 如右下图 C1电容起到储能作用 当逻辑器件状态变化时提供一个瞬态电流 减小电源瞬变及跌落 保持电源完整性 一般为铝电解电容 C2 C3是滤波电容 电容能够 通交流 阻直流 输入信号中的交流成分可以通过电容排到大地 剩下纯净的直流成分 其中大电容滤除低频成分 小电容滤除高频成分 关键器件选择 4 4输出电容作用输出电容的作用是滤除开关纹波 C越大 ZC越小 当电容阻抗远大于负载阻抗R时 几乎所有的电感电流纹波都流经电容 电容电流波形iC t 等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分 输出纹波电压由容量和ESR共同决定 由容值引起的纹波 由ESR引起的纹波 输出纹波 关键器件选择 容值和ESR选择电解电容的容值较大 输出纹波主要是由ESR造成 要降低纹波 主要是减小ESR 陶瓷电容的ESR很小 要降低纹波 主要是增大电容 故输出电容一般选择具有较大容值和较小ESR的电容 为减小ESR 可采用多个瓷片电容并联的形式 关键器件选择 DC DC电源PCB布局 输入开关电流环路尽可能小 保持模拟和非开关器件远离开关器件 输出电容必须连接到PGND 电压反馈环路应尽可能的短 并最好有接地屏蔽 连接到VFB引脚上的电压分压器的低电阻应该与模拟地共地 提供足够的通孔给VIN SW和PGND连接 VIN输入旁路电容和VIN高频旁路电容应尽可能靠近设备放置 PCB布局图 TPS54329应用图 问题 1 输出反馈端的电容有什么作用 接上与不接有什么区别 2 VBST与SW之间的电容有什么作用 3 为什么输入端要接三个不同容值的电容 那都是滤波 不同容值范围的电容有什么作用 4 感抗容抗与频率有何关系 5 电感Q值是否越大越好 THANKYOU