電源設(shè)計入門

1、DC-DC power design accidenceCatalog 1. DC-DC Power 設(shè)計原理 2. DC-DC Power應(yīng)用電路。 a.LDO b.PWM 3.設(shè)計主要參數(shù) 4.主要應(yīng)用元件選擇 5.Power budget意義及制作1. DC-DC Power 設(shè)計原理市電傳輸?shù)氖?20V，50Hz的交流電，無法直接用于主板，必須經(jīng)由整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，普通的ATX電源提供12V，5V ，3.3V，三種電壓，專用服務(wù)器電源一般只提供12V電壓，但主板上由于各種芯片及設(shè)備的不同，要求提供各種不同規(guī)格及質(zhì)量的電源，dc-dc Power design就是如何設(shè)計電路來達到主

2、板上各種 不同設(shè)備對電源的要求及實現(xiàn)ATX電源的高效利用。1. DC-DC Power 設(shè)計原理如表所示， 在PSU只提供12 V電壓的情況下，我們需要在主板上通過設(shè)計提供額外超過10組電壓，并保證達到后端設(shè)備對于電源質(zhì)量的要求。 1. DC-DC Power 設(shè)計原理Buck 電路俗稱斬波器，正式名稱：降壓式變換電路。原理結(jié)構(gòu)圖如下.主要構(gòu)成元器件：modulator控制元件，開關(guān)元件，輸出元件。1. DC-DC Power 設(shè)計原理Buck電路有兩種工作模式，一種為連續(xù)模式，另一種是不連續(xù)模式。其中，連續(xù)模式是主要應(yīng)用模式。連續(xù)模式可以用兩種狀態(tài)來進行電路分析。Turn On 模式等效電路

3、1. DC-DC Power 設(shè)計原理Turn ON狀態(tài)下，Buck電路中電壓及電流波形。1. DC-DC Power 設(shè)計原理Turn Off 模式等效電路1. DC-DC Power 設(shè)計原理Turn off 狀態(tài)下， Buck電路中電壓及電流波形。1. DC-DC Power 設(shè)計原理由以上波形可見，電感上的電壓可以由電感的感量及電流和時間的微分來表示。具體計算公式如下。1. DC-DC Power 設(shè)計原理實際電路中，由于元器件并不是理想元器件，會有伴生一些系數(shù)對電路分析造成影響，主要的因數(shù)有RDSon, RL。因此，在Turn On 階段，IL(+)的表達式可以用以下公式來表達。由于

4、Turn On 階段，電感處于充電時間，VL可以表示為VI及Swith上由于電流和RDSon造成的壓降VDS，電感本身DCR造成壓降IL*RL的差值來表達，由于IL是一個隨時間變化而變化的變量，它的值由Turn On 的時間Ton決定。相應(yīng)的Turn Off階段的IL(-)，可以用以下公式來表達。1. DC-DC Power 設(shè)計原理由以上兩個方程解出當(dāng)定義TS為Ton+Toff，D=Ton/TS，那么1-D=Toff/Ton，以上公式可以轉(zhuǎn)化為：當(dāng)忽略電路中伴生電阻和電感帶來的干擾，可以簡化以上方程為理想方程：Vout=Vin*D=Vin*Ton/Ts由此可見，在Buck電路中Vout的值是

5、由Ton的時間來決定，1. DC-DC Power 設(shè)計原理1. DC-DC Power 設(shè)計原理從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾 波器設(shè)計 的原則是使 us(t)的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 電路工作頻率很高，一個開關(guān)周期內(nèi)電容充 放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上輸出的直流電壓Uo有：電容上電壓宏觀上可以看作恒定。 電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近

6、似原理1. DC-DC Power 設(shè)計原理一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升 高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放 電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。開關(guān)S置于1位時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)S置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假

7、定電流增加量大于電流減小量，則一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：=L（i）0,此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢：u= /0,此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律那么如何定義DC電壓的值？首先，引入RMS： root mean squareRMS值實際就是有效值,就是一組統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平方的平均值的平方根RMS（X1平方X2平方.Xn平方）/n 的1/2次方。 在

8、直流（DC）電路中，電壓或電流的定義很簡單，但在交流（AC）電路中，其定義就較為復(fù)雜，有多種定義方式。均方根（rms）指的是定義AC波的有效電壓或電流的一種最普遍的數(shù)學(xué)方法。 要得出rms值需要對表示AC波形的函數(shù)執(zhí)行三個數(shù)學(xué)操作： （1）計算波形函數(shù)（一般是正弦波）的平方值。 （2）對第一步得到的函數(shù)求時間平均值。 （3）求第二步得到的函數(shù)的平方根。在一個阻抗由純電阻組成的電路中，AC波的rms值通常稱作有效值或DC等價值。比如，一個100V rms的AC源連接著一個電阻器，并且其電流產(chǎn)生50W熱量，那么對于100V連接著這個電阻器的電源來說也將產(chǎn)生50W的熱量。1. DC-DC Power

9、 設(shè)計原理對正弦波來說，rms值是峰值的0.707倍，或者是峰-峰值的0.354倍。家用電壓是以rms來表示的。所謂的“117V”的交流電，其峰值（pk）約為165V，峰-峰值（pk-pk）約為330V。因此，在測量輸出電壓準(zhǔn)位（loadline),需要RMS值來作為有效輸出電壓值，但在確認(rèn)輸出電壓紋波（Transient &Ripple）都需要峰值（pk)來作為有效值跟RMS值來作比較。1. DC-DC Power 設(shè)計原理2. DC-DC Power應(yīng)用電路LDO : low dropout regulator意為低壓差線性穩(wěn)壓器，是相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，

10、如78xx系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2v3V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件顯然是太苛刻了，如5v轉(zhuǎn)3.3v,輸入與輸出的壓差只有1.7v，顯然是不滿足條件的。針對這種情況，才有了LDO類的電源轉(zhuǎn)換芯片。下圖為Max8794 Functional Diagram2. DC-DC Power應(yīng)用電路2. DC-DC Power應(yīng)用電路可以看到，上圖中的分壓電路使用 MOS 功率晶體管，它能夠提供最低的壓降電壓。使用 功率MOS，通過穩(wěn)壓器的唯一電壓壓降是電源設(shè)備負(fù)載電流的 ON 電阻造成的。如果負(fù)載較小，這種方式產(chǎn)生的壓降只有幾十毫伏。低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓

11、器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，LDO線性穩(wěn)壓器的性能之所以能夠達到這個水平主要原因在于其中的調(diào)整管是用P溝道MOSFET，而普通的線性穩(wěn)壓器是使用PNP晶體管。P溝道MOSFET是電壓驅(qū)動的，不需要電流，所以大大降低了器件本身消耗的電流；另一方面，采用PNP晶體管的電路中，為了防止PNP晶體管進入飽和狀態(tài)而降低輸出能力， 輸入和輸出之間的電壓降不可以太低；而P溝道MOSFET上的電壓降大致等于輸出電流與導(dǎo)通電阻的乘積。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻很小，因而它上面的電壓降非常低。2. DC-DC Power應(yīng)用電路如果輸入電壓和輸出電壓很接近，最好是選用LDO穩(wěn)壓器，可達到很高的效率。如果輸入電

12、壓和輸出電壓不是很接近，就要考慮用開關(guān)型的DCDC了，因為從上面的原理可以知道，LDO的輸入電流基本上是等于輸出電流的，如果壓降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。而開關(guān)型dc-dc電路，就是PWM電路。2. DC-DC Power應(yīng)用電路脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù).PWM運用的主要原理就是Buck電路，其主要function結(jié)構(gòu)如下：2. DC-DC Power應(yīng)用電路功能模塊圖2. DC-DC Power應(yīng)用電路典型Modulate電路。由下圖可見，

13、Oscillator產(chǎn)生一個Ramp的三角波與Comp信號比較作為RS觸發(fā)器的R輸入端，一個CLK信號作為RS觸發(fā)器的S輸入端，通過RS觸發(fā)器來產(chǎn)生PWM H/L-side MOSFET調(diào)節(jié)信號。2. DC-DC Power應(yīng)用電路Ramp 三種觸發(fā)形式，下降沿觸發(fā)，上升沿觸發(fā)，雙邊沿觸發(fā)。3.設(shè)計主要參數(shù)IC對于電源質(zhì)量的要求：1.信號時序。2.負(fù)載強度。3.靜態(tài)負(fù)載電壓紋波。4.動態(tài)負(fù)載電壓紋波。另外：5.保護功能。6.轉(zhuǎn)換效率。附件就是HP對于DC-DC設(shè)計的測試項目及要求。但是由于時序，負(fù)載強度和保護功能都是由元件參數(shù)固定的，對于設(shè)計來說主要面對的是直流輸出電壓紋波，交流電壓紋波及轉(zhuǎn)化

14、效率的考慮。2. DC-DC Power應(yīng)用電路首先，靜態(tài)負(fù)載電壓紋波產(chǎn)生的原因可以用如下方程表示。V=I*ESR3.設(shè)計主要參數(shù)其次，在動態(tài)負(fù)載情況下，電容等效模型及阻抗圖如右圖。因此，動態(tài)負(fù)載下，Vdrop可以表示為如下公式。3.設(shè)計主要參數(shù)關(guān)于效率，主要是減少各種元器件帶來的無效功耗。電感的ESR及磁損。電容的DCR帶來的熱損耗。開關(guān)元器件的損耗分為開關(guān)損耗和阻抗損耗可以由以下公式表示：4.主要應(yīng)用元件選擇根據(jù)以上的設(shè)計參數(shù)來確定元器件參數(shù)。元器件可主要分為：1. PWM IC2. Switch components（MOSFET）3. Inductance 4. Capacitance

15、4.主要應(yīng)用元件選擇整合型PWM IC。4.主要應(yīng)用元件選擇分離型PWM IC4.主要應(yīng)用元件選擇需要考慮的主要參數(shù)如下：Vin，Vcc及Boot to SW 決定了電路的應(yīng)用電壓Vout 決定了輸出電壓范圍Io決定的最大負(fù)載Fs決定了應(yīng)用頻率范圍Tj決定了應(yīng)用溫度4.主要應(yīng)用元件選擇MOSFET參數(shù)表（Static TJ = 25C）4.主要應(yīng)用元件選擇MOSFET參數(shù)表（Static TJ = 25C）4.主要應(yīng)用元件選擇BVDSS -漏源擊穿電壓BVDSS/j-失調(diào)電壓溫度系數(shù)RDS(ON) -漏源通態(tài)電阻VGS(th) -開啟電壓IDSS -零柵壓漏極電流IGSS -柵源漏電流Gfs

16、-跨導(dǎo)的定義為漏極電流的小變化與相應(yīng)的柵源電壓小變化量之比，即gFS=ID/VGS。典型的跨導(dǎo)額定值是在1/2額定漏極電流和VDS=15V下測得.Qgs, Qgd, 和 Qg ：柵電荷柵電荷值反應(yīng)存儲在端子間電容上的電荷，既然開關(guān)的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設(shè)計柵驅(qū)動電路時經(jīng)常要考慮柵電荷的影響。Qgs從0電荷開始到第一個拐點處，Qgd是從第一個拐點到第二個拐點之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點到vGS等于一個特定的驅(qū)動電壓的部分4.主要應(yīng)用元件選擇ID - 連續(xù)漏電流 定義為芯片在最大額定結(jié)溫TJ(max)下，管表面溫度在25或者更高溫度下，可允許的最大連續(xù)直流電流

17、。PD -容許溝道總功耗 容許溝道總功耗標(biāo)定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結(jié)溫和管殼溫度為25時熱阻的函數(shù)。TJ, TSTG-工作溫度和存儲環(huán)境溫度的范圍這兩個參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲環(huán)境所允許的結(jié)溫區(qū)間。設(shè)定這樣的溫度范圍是為了滿足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個溫度區(qū)間內(nèi)，將極大地延長其工作壽命。Ciss ：輸入電容將漏源短接，用交流信號測得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯(lián)而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動電路和Ciss對器件的開啟

18、和關(guān)斷延時有著直接的影響。4.主要應(yīng)用元件選擇Coss ：輸出電容將柵源短接，用交流信號測得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯(lián)而成，或者Coss = Cds +Cgd對于軟開關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因為它可能引起電路的諧振Crss ：反向傳輸電容在源極接地的情況下，測得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同于柵漏電容。Cres =Cgd，反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對于開關(guān)的上升和下降時間來說是其中一個重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時時間。電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸td(on) ：導(dǎo)通延時時間導(dǎo)通延時時間是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動電壓時到漏電流升到規(guī)定電流的10%時所經(jīng)歷的時間。4.主要應(yīng)用元件選擇td(off) ：關(guān)斷延時時間關(guān)斷延時時間是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動電壓時到漏電流降至規(guī)定電流的90%時所經(jīng)歷的時間。這顯示電流傳輸?shù)截?fù)載之前所經(jīng)歷的延遲tr ：上升時間上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時間。tf ：下降時間下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時間4.主要應(yīng)用元件選擇電感參數(shù)如下圖Irated-飽和電流或者是Heatingcurrent，取兩者中較小的值。Inductance