BUCK_電源工作原理

1、 .Buck電路工作原理分析：電路工作原理分析：VinVoDLIoSSULILVin-Vo-VooIIoD1-DT根據(jù)L的伏秒平衡原則：(Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)TVo=Vin *DL*Io=Vo *(1-D)TIs根據(jù)L在1-D時間的基本方程：Io=Vo *(1-D)T/L . 電感電流： （開關(guān)管 ON） Delta ILon= (Vin-Vo)*Ton/L 電感電流： （開關(guān)管 OFF） Delta ILoff= Vo*Toff/L 電感電流： 輸出電容的電流波形： 電感電流： 輸出電容電流： 要選擇工作紋波電流大，ESR小的輸出電容，為降低輸出紋波電壓，可用多個小容量的電

2、容并聯(lián)使用。 根據(jù)負載大小變化，BUCK 電源工作在 CCM 與 DCM 兩種狀態(tài)。 CCM: Continuous Current Mode DCM: Discontinuous Current Mode 在CCM 模式，電感電流在整個周期內(nèi)都時連續(xù)的， Po=1/2*L*(IL12-IL22) 在 DCM 模式，一個周期內(nèi)，有段時間電感電流為零。 Po=1/2*L*IL2=V02/R IL=sqrt(2*Vo2/LR)= .電感電流波形： CCM電感電流波形：DCM 由上可知，電感電流由直流（Io）和紋波電流（ ）兩部分組成； 在CCM 模式，電感電流隨負載電流變化，但紋波分量并不改變，由

3、此可以看出負載變化時占空比不變。 當負載減小到使電感電流從剛好零開始時，此為CCM與DCM 轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)。 進一步減小輸出負載，此時并不需要很大的電感電流維持輸出功率，電感開始減小，占空比也減小，而電感也在開關(guān)管下次導(dǎo)通之前電流降為零。電路進入 DCM 模式，在此模式下，占空比隨著負載變化而變化。 模式間轉(zhuǎn)換過程：DCM 模式，電感電壓不為零？ 模式間轉(zhuǎn)換過程： 非同步整流電路結(jié)構(gòu)簡單，容易驅(qū)動，但因作為續(xù)流的肖特基二極管管壓降大，功率損耗較大，導(dǎo)致整個電源效率降低，所以一般用在輸出電壓較高，輸出電流較小的場合；而對于用在低電壓，大電流的場合，如 CPU 的供電電源則需用同步整流電路。. 同

4、步電路應(yīng)用實例： 同步整流電路特點： 同步整流電路用下MOS管代替開關(guān)換器的續(xù)流二極管，其導(dǎo)通電阻小，大大降低了整流損耗，提高了電源效率。 因下管作續(xù)流管用，所以要求其體二極管的反向恢復(fù)電荷小，柵極電阻小，用開關(guān)特性好等。 為一避免上下管同時導(dǎo)通，要求兩管的驅(qū)動信號間須留有一死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)，電流從下管的體二極管內(nèi)流過，增加了損耗。 在穩(wěn)態(tài)時，電感電流上升和下降的變化量是相等的，但上下管導(dǎo)通時間不同，兩管的電流有效值也不同，導(dǎo)通時間越長，電流有效值大，管子發(fā)熱也大。 根據(jù)上圖計算上下管的電流有效值： Irmsup/Irmsdn=sqrt( D/(1-D) Vcore=Vin*D=D=Vc

5、ore/Vin=1.6/12=0.133 代入上式：Irmsup/Irmsdn=sqrt(0.133/(1-0.133)=0.4 Irmsdn=2.5Irmsup 所以下管必須用電流容量更大的管或雙管并聯(lián)。 避免雙管同時導(dǎo)通： . 多相變換器做優(yōu)點： 將變換器產(chǎn)生的熱量分布在各相電路上，而且散熱面積大，不用散熱片。 各相電流疊加后紋波減小，降低了輸出電壓紋波幅度，減少了輸出電容的數(shù)量。 減小了單相大電流時多管并聯(lián)的設(shè)計難度和對磁芯的要求。 降低了各相變換器的工作頻率，減小元件分布參數(shù)的影響及干擾。. 當電路中上管導(dǎo)通時，源極電壓等于電源輸入電壓，因此驅(qū)動管的柵極電壓=Vin+Vgs, IC 不

6、能直接驅(qū)動，IC 內(nèi)部將上管的驅(qū)動路采用浮地的方式，外接自舉電容組成偏置電路來驅(qū)動上管。 MOS管的驅(qū)動電路： . . CPU工作時會根據(jù)負荷的大小發(fā)出一組VID代碼給電源IC，經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，得一模擬電壓值，即為CPU 所需的工作電壓。電源IC 以此電壓為參考值，將之與CPU 實際電壓信號的差值進行放大，得到誤差信號Vcomp, 再與電源IC 內(nèi)部產(chǎn)生的鋸齒波信號進行比較，產(chǎn)生PWM信號，控制開關(guān)管的關(guān)斷，使輸出電壓調(diào)整到符合 VID 相應(yīng)的電位。 穩(wěn)壓原理： . 限流檢測(限流）： 電流檢測（通道平衡）： . 通道電流平衡： 為使每通道的達到熱平衡，需要每通道的電感電流大小一致，IC內(nèi)部

7、處理方式：采樣每通道的電流，將各通道電流求和平均，與相電流相減，產(chǎn)生一個誤差信號Ier，再和Vcomp相減，調(diào)整各相 PWM 寬度，達到電流平衡，各相 Ier為零時，則電流達到了平衡。 電流平衡是通過檢測流過下管Rds(on)來實現(xiàn)的。 此外，為提高電源工作的可靠性，還需有UVP，OVP，OCP等功能，這此功能都集成到芯片內(nèi)部。 . 輸出電壓 Vo: IC內(nèi)部集成了一個有關(guān)0.9V 基準電壓的誤差放大器, 所以: Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V 根據(jù)以下條件計算相關(guān)參數(shù)： Vin = 5V Vo=2.5V Io=3.0A Fs=300KHz根據(jù)前面公式：Duty=Vo

8、/Vin=2.5/5=0.5 Ton=0.5/300000=1.67uS 設(shè)： Io=Io*10%=3.0*30%=0.9A L=(Vin-V0)*Ton/Io =(5-2.5)*1.67/0.9 =4.7uH Buck電路特點電路特點: 效率高, 可靠性好 工作頻率高, 使電路中電壓/電流波形的快瞬變化, 產(chǎn)生電磁幅射干擾. 元件布局和PCB布線難度較大. 輸出電壓紋波比較大. 電路復(fù)雜, 成本高.線性電源 . 線性電源特點： 電路簡單，不會產(chǎn)生干擾，輸出紋波小， 調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，功耗大，效率低，發(fā)熱量大，降低了元件的可靠性， 因此線性適合用于輸入/輸出壓差小，電流小的場合。. 注意事項： Vo = 2.5*R585/(R584+R585) ID Iomax PD (Vin-Vo)*Iomax Vg Vo + Vgs 保證漏源極間的壓差使MOS管工作在放大狀態(tài): 當輸出為靜態(tài)負載時，可在 IC 一二腳間并聯(lián)一小電容，減小輸出紋波； 動態(tài)負載時則不需此電容，以提高電路的動態(tài)響態(tài)速度。 MOS管的工作狀態(tài)： vDS /V iD 線性電源 求復(fù)合管的輸出電壓： 根據(jù)上圖得NPN管的Vb= R235/(r234+R235)=2.2V 則 Vo=2.2V-0.7V=1.5V 分析此問題時，忽略了Ib的影響，因此在確定電路參數(shù)時，使IR 235