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1、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： Buck converter(降压型) Boost
2、 converter(升压型) Buck-boost converter(降压升压型),DC-DC电源分类及工作原理,1.1 Buck converter（降压型）,Vo=Vin*D D1，VoVin,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，
3、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。,1.2 Boost converter（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
4、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D1，所以ViVo，实现升压功能。,1.3 Buck-boost converter（降压升压型）,Vo=Vin*D/(1-D) VoVin,当D0.5,DC-DC电源分类
5、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
6、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
7、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1.8 V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（Pulse Frequency Modulation）：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（Pulse Width Modulation）：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
8、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
9、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
10、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
11、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P
12、WM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
13、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1.251.5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B
14、uck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
15、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E
16、SR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？,THANK YOU！,
