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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=1APLOSS=(3.3-1.2)x1=2.1WEfficiency=1.2/3.3=36%,VIN =3.3V, VOUT=1.2V, IOUT=1APLOSS=(1-0.85)x3.3=0.5WEfficiency=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
2、绍 - 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 - DTs 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
3、流波形,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 (COUT)输
4、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找到
5、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 这三项的矢量
6、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
7、),COUT 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
8、值也需要满足输出电压瞬态变化值：,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
9、电路 - MOSFET 选择 (1),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
10、厂家提供的场效应管热阻参数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
11、应管比较适用于上端开关 栅极电容较大（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 1206Cap #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
12、作电压而变化大Y5V 电容值随温度而变化大-X7R 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 1206Cap #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 1206Cap #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 m
13、V (80 4.2/4)能不能并联一个或多个瓷片电容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
14、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，输出纹波电压值 (VOUT) 被稳稳地控制在 50 mV 以下。通过公式计算出来的VOUT 为 40 mV，而通过 PSPICE 模拟计算出来的VOUT 是 42 mV。,6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (6),(A) 四颗 1500 F 电解和一颗 10F 瓷片并联,(B) 四颗 1500 F 电解和二颗 10F 瓷片并联,(C) 四颗1500 F 电解和三颗10F 瓷片并联,PSPICE 模拟电路图,Thank You,
