BUCK电路原理详解

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描述

 

目录

工程应用

1 如何将输出正电压改为负电压?

特点

开关频率

1 频率提升,dcr会变小,导通损耗变小

2 开关频率对电源效率&损耗的影响

3 开关频率对电源EMC/EMI性能的影响

杂项

上电速度

原理

反馈控制方式

电压模式控制

电流模式控制  

迟滞控制

原理图/layout/实际模型

调整管VT

振荡器

输出电压

自举部分(vin与bs之间接的那颗电容)

例如:

为什么下管不需要自举?

vFB与vref的比较器采用差分放大电路

次谐波震荡  

器件

开关频率对外围器件尺寸/成本的影响

滤波电容

续流二极管

为什么要用快恢复管?

二极管VD1-异步

优点

缺点

MOS管-下管-同步

导通损耗

开关损耗(驱动损耗)

优点

缺点

电感

前沿器件

模块电源

变压器

纹波

电感导致的纹波:

整个后级导致的脉动值(纹波):

滤波

工作模式

PFM-脉冲频率调制型

优点

缺点

调节方式:

PWM-脉冲宽度调制型

优点

缺点

调节方式:

混合调制型

分类

软开关

零电压电路

零电流电路

连续与断续模式

Fly-Buck(正激)

轻载高效 

如何实现轻载高效?

为什么在重载时,效率可以达到80多

而在轻载(例如3.3V-10mA)时,效率却下降很多?

开关损耗

导通损耗

例如:

轻载高效的3种模式

跳脉冲模式(psm)

突发工作模式

AAM模式

温升

定义

评估计算法

(ploss:芯片的功率损耗)

余量

工程应用

1 如何将输出正电压改为负电压?

只需要将所有的地都换成output,将output改为地

特点

效率高

导通后,正向电阻小,

虽然电流大,但管压降很小

截至时,虽然反向电压很大,

但电阻无穷,电流几乎为0

体积小重量轻

因调整管的功耗小,故散热器也可随之减小。可以省去50 Hz 工频变压器

开关频率通常为几十千赫,故滤波电感、电容的容量均可大大减小

基本不受输入直流电压幅度的变化

输出电压只和调整管导通与截止时间的比例有关

因此,允许电网电压有较大的波动

线性稳压电路允许电网电压波动± 10%

开关型电网电压为140 V 至260 V

电网频率变化土4%也可正常工作

纹波和噪声成分较大

开关状态,将产生尖峰干扰和谐波信号

开关频率

1 频率提升,dcr会变小,导通损耗变小

开关频率与系统频率同步

来自mos的开关动作,5M以下

频率Fs决定了电感电流纹波和输出电压纹波两个核心指标

提高频率可以降低对电感量和电容值的要求

其实质是频率提高,单次需要储存的能量更少

这样就降低了对储能元件的要求

但频率无限大会增加损耗

开关一次,栅极损耗(开关损耗)多一次

损耗:导通损耗,开关损耗,驱动损耗

影响了损耗,效率,发热指标

而且过大的开关频率会导致emi恶化

2 开关频率对电源效率&损耗的影响

12V转3.3V效率曲线对比

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开关管频率越高,功耗越大

3 开关频率对电源EMC/EMI性能的影响

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开关频率越大,emi问题越严重

车辆CISPR25的常用频段在400-600kHz和2MHz以上

改善emc高频性能:加屏蔽壳,加磁珠,共模电感

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sync来跳频/抖频,实现对收音机AM频率的规避

抖频技术(SSFM,开关斩频技术)帮助优化电源EMI特性

通过频率在一定范围内的抖动来分散噪声信号的能量, 以达到降低噪声峰值的目的

杂项

上电速度

速度过快,上电电流大,芯片易受冲击

速度过慢,两管同时导通

原理

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上调整管导通时,电流从上管流入,到电感储能

电感两端的电压与电流关系如图所示

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下续流管导通时,电感释放能量,与电容持续对外供电 

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以具有电压环和电流环的电流型buck为例 

首先采样输出电压,将其与参考电压比较后得到Vc信号

然后将采样得到的电感电流信号I_L与Vc信号进行比较

VC与I_L碰撞形成的控制回路过程

从而得到对应的控制信号来驱动MOS管

CLK信号来决定RS触发器何时翻转

周而复始实现主电路的能量传递

反馈控制方式

动态响应速度:

迟滞>电流反馈>电压反馈 

电压模式控制

误差放大器的参考信号是三角波(时钟,反馈电压)

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仅监控输出的电压,因此只要输出电压不变动,

就无法响应

相位补偿设计需要增加超前补偿、滞后补偿,设计复杂

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电流模式控制 

误差放大器的参考信号是电感电流(三角波,时钟,电压)

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环路稳定性很高,负载瞬态响应速度也快

目前电源ic的主流反馈控制方式

迟滞控制

误差放大器的参考信号是比较器(反馈电压)

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无需相位补偿,反馈环路的稳定性高

但纹波噪声大

一般LDO反馈常用,无后级pwm,所以这也线性的来源

原理图/layout/实际模型

poYBAGLD2eOAdIsTAAOqxqA0yw8293.png

 

pYYBAGLD2eSAEnUeAAfOSAI01Xw003.png

buck与ldo的差异点?

buck在EA和上管之间加了pwm来实现开关功能

poYBAGLD2eWAe0jaAAQljG-s-mQ833.png

 

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调整管VT

导电时,调节管的发射极电位

pYYBAGLD2eaAJSt3AAAZJ5y9hmQ501.pngpoYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

上正下负,二极管vd被截至,电感开始充电

不导电时,三极管被截至,电感因为反电势,

电流将在负载和二极管上继续流通

发射极电位(二极管正向导通电压)

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振荡器

产生的三角波信号ut加在比较器的同相输入端

使得UA直流变成ub脉冲交流

当Ut > UA 时,比较器输出高电平,即UB =+ Uopp

当ut< UA 时,比较器输出低电平, us = - Uopp

**三角波电路组成**

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poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

集成运放A1组成滞回比较器,A2组成积分电路。

滞回比较器的输出加在积分电路的反相输入端进行积分

而积分电路的输出又接到滞回比较器的同相输人端

控制滞回比较器输出端的状态发生跳变

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输出电压

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饱和管压降UCES 以及二极管的正向导通电压UD的值均很小,可忽略

poYBAGLD2eeAYkDpAAAkouf5qgQ835.pngpoYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

所以,调节三角波的大小就可以调节占空比进而调节电压

所以,调节ua高低可以调节占空比

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poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

自举部分(vin与bs之间接的那颗电容)

接在输入vin和上管的S极上,保证上管导通时,电压始终大于vin

负周期,下管导通,自举电容充电,充电时间为Toff,上vcc下0

正周期,自举电容电压不能突变,所以下为VCC,上面的电压就成了vin+下管导

通时充电的电压,电压被举起来,vgs大于vgs(th)

此时自举电容向内部电路进行放电 ,放电时间为Ton

例如:

vin为12v,要保持导通,

上管G极必须保持15V的电压,

因为下管S极已经12V,加上上管G极二极管3V导通电压

为什么下管不需要自举?

下管导通容易,gs的s接地,容易满足gs>gs(th)

vFB与vref的比较器采用差分放大电路

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输入阻抗大(几兆Ω到十几兆Ω),小反馈信号也能立刻响应

因为高阻抗点,示波器探头通常设置1MΩ的阻抗匹配

并保证探头周边没有临近的干扰源

同样的,因为是高阻抗点,

即使外部有较小的信号干扰也会很容易被FB引脚所接收

因此在测试前应佩戴静电手环并禁止手指触碰FB引脚走线

并保证采用如图所示的最小环路法可以显著较小噪声的影响

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差分放大电路还具有消除零点漂移,抑制共模干扰和增强差模增益的作用

次谐波震荡 

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poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

系统受到干扰后的振荡,使得原本有序的PWM开关波形产生震荡 ,使得原本有序

的PWM开关波形产生震荡

粉红色回路通过斜坡补偿技术解决次谐波问题

器件

开关频率对外围器件尺寸/成本的影响

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滤波电容

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poYBAGDYdXCAWkKMAAAAK8RNs4s030.png

 

由公式可以得出,小电容滤高频

续流二极管

开关管关断,电感能量没有回路释放

瞬间的di/dt ,产生很大的电压尖峰

也叫瞬态抑制二极管,保护核心功放,

提供了泄放到地的路径,防止输出短路烧毁

在上下mos管后级,并联,防止负载短路冲击,保护前级电路

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为什么要用快恢复管?

普通二极管虽然低频可以保证单向导通

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但高频不能够

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外加肖特基二极管可以防止同时导通情况下,负载无法连续 供电

减小因为寄生二极管响应速度太慢导致的纹波

所以有低导通电阻、反向恢复时间短

但不适合高压场合,反向电压低

漏电流大的话,还影响效率

二极管VD1-异步

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整流二极管(异步整流)

二极管特性,0.3V的压降会消耗过多的功率

例子:

优点

可靠性好,不会因为上下管直通后,

电流过大烧坏mos管

缺点

因为正向导通电压大,消耗功率大

MOS管-下管-同步

导通损耗

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所以同步管的导通电阻要小

开关损耗(驱动损耗)

栅极电流对栅极电容充放电导致

选择小的栅源极压降、开关管的栅极电荷

假如输出电流的需求大于5A,需要将下管mos外置

优点

导通电阻小(mos管的RDS(ON)-毫欧级别,远小于二极管的导通电阻)

可以在内部有mos的情况下,外部再并联两个mos

分区 开关电源 的第 12 页

可以在内部有mos的情况下,外部再并联两个mos

进一步减少rdson

压降低,消耗功率小

缺点

需要额外添加控制电路

电感

关注直流电阻(dcr),使直流阻抗最小,减小铜损

(铁损:铁心的损耗,空载损耗    铜损:线圈的损耗,负载损耗)

开关电源为了提高效率一般采用DCR比较小的电感,绕电感的线越粗DCR越小。

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由公式可知,感值越大,电流纹波越小

输入和输出的电压值相差越小,所需电感值越小

但电感值过大会导致动态性能差,反馈响应慢

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前沿器件

模块电源

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目前模块电源主流频率提高到3到4MHz水平

变压器

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去除传统的变压器骨架和铜线

利用PCB多层线圈减小为薄型平面变压器设计

适用在较高频的领域,仅利用PCB线圈或者PCB寄生电感就可完成功率传输

若对体积没要求, 高频电感还可以可以省去磁芯 ,做空心电感来节约成本

纹波

电感导致的纹波:

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电感电流的纹波一般在40%

选取esr小的电容会明显减小输出纹波

整个后级导致的脉动值(纹波):

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最终输出电压

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滤波

吸收式

磁珠与电容组合,开关特性不如反射式,偏软

反射式

因为L的电阻低,阻抗匹配考虑,选择电感靠近阻抗低的一端

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工作模式

PFM-脉冲频率调制型

优点

适合轻载电流场景

功耗相对较低

调节开关频率,输出电压超过设置电压,输出将关断

缺点

输出纹波大,响应速度慢,因为频率低

但轻载效率高,功耗小,不适合CCM模式

价格贵,因为配套滤波困难(谐波频谱太宽)

调节方式:

调节开关周期时间

当增加负载时,振荡量递减,最后变为PWM模式

开通一定,关断不一定

分区 开关电源 的第 14 页

开通一定,关断不一定

PWM-脉冲宽度调制型

优点

噪声易于过滤

不会长时间关断,所以响应速度快,效率高

缺点

开关损耗影响效率

轻载效率差,需要提供假负载

调节方式:

调节周期内的导通时间

混合调制型

分类

按是否使用工频变压器

低压开关稳压电路:

即50 Hz 电网电压先经工频变压器转换成较低电压后再进入开关型稳压电路、

高压开关稳压电路:

不用工频变压器,采用高压大功率三极管

直接将220 V 交流电网电压进行整流

滤波,然后再进行稳压

按激励的方式

自激

他激

按调整管的种类

双极型三极管

MOS 管

晶闸管

软开关

首先是硬开关,电压与电流会有交叠部分,造成损耗

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增加了小电感、电容等谐振元件后,电压/电流波形不交叠

称为软开关。

电压或电流为正弦半波,因此称之为准谐振

零电压电路

开通前其两端电压为零,不会产生噪声

关断时,并联电容延缓关断后电压上升的速率

零电流电路

关断前其电流为零

开通时,串联电感能延缓开通后电流上升的速率

连续与断续模式

ccm

dcm

电感体积可以做小

存在电感电流为0的时刻

跳频时输出电压纹波太大

Fly-Buck(正激)

buck派生-隔离式输出稳压,只能降压

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将电感改成四线耦合电感,将一路电路输出换成多路输出

单向励磁

为防止原边关断,瞬间的电流耦合到副边,造成VD2损坏

增加一个磁通复位电路

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D3与N3组合可泄放多余磁能

轻载高效

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如何实现轻载高效?

降低导通损耗

降低dcr和ecr

降低铁损和铜损

降低工作频率

为什么在重载时,效率可以达到80多

而在轻载(例如3.3V-10mA)时,效率却下降很多?

开关损耗和导通损耗两个因素影响着效率

开关损耗

轻载时,开关损耗几乎不变,由于输出功率较低,

IC的效率就会比重载时低很多

导通损耗

重载时,导通损耗是影响效率的主要因素

例如:

货车司机运货挣钱

满载拉货,一趟可以赚很多

空车跑,司机进过收费站(开关损耗)还要自掏过路费

收费站越多,钱亏的越多

所以为了不亏钱,就必须少进收费站

轻载高效的3种模式

跳脉冲模式(psm)

纹波小,效率较差,瞬态响应好

即在输出重载时,以连续模式(CCM)工作

当负载电流降低,电源将进入断续模式(DCM)工作

也即VGS的占空比变小,il电感电流不再连续

直到上管的开通时间达到最小导通时间,才导通上管

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若负载继续降低,控制器将直接屏蔽一些开关脉冲,如红虚框所示 

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例如: 运货少过收费站,节约成本

突发工作模式

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当输出负载电流降低到一定的值,系统进入轻载模式,

上下管长时间停止工作(关闭),由输出电容维持输出

电容放电过程中,输出电压会下降,经过较长一段时间

vc上升到VH时,进入开关模式,重新打开上下管

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如上图,输出电容在快速导通关断过程中会产生较大的纹波,且瞬态响应较差

例如:

运货不过收费站,走野路

由于路远(瞬态响应差)且不平坦(纹波较大)

意外风险大(芯片不工作)

AAM模式

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对比突发模式,在sr触发器的s前端增加了红框所示的运放

当Vcomp直流分量小于VAAM时,电源进入轻载模式

poYBAGLD2fCAXUw3AAHL-q1kdGQ212.png

如图First所示,当Vcomp波动,其值大于VAAM,并且时钟信号开通,

上管开通

如图Second所示,当电感电流达到Vcomp时

上管关闭,下管导通

如图Third所示,直到电感电流降为0,下管关闭,完成一次开关周期

输出轻载时,一般工作在PFM (pulse-frequency modulation)模式

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输出重载时,工作在PWM (pulse-width modulation)模式

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温升

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编辑说明非同步是肖特基外置

虽然集成同步结构的整体效率高一些

但是其芯片包含的损耗部分更多一些

所以单体芯片的发热相对于非同步要多一些

定义

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分区 开关电源 的第 20 页

JA的作用在于比较不同厂家芯片的相对热性能

JC的作用是比较芯片在安装散热片时的热性能

评估计算法

(ploss:芯片的功率损耗)

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测试计算法(更准确)

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tc获取

pYYBAGLD2fKAYEoIAAI7q_JssZo697.png

余量

poYBAGLD2fKAONnnAAGnubrvib0801.png

 

poYBAGLD2fOAAvanAAKENc2aOjE480.png




审核编辑 黄昊宇


 

 

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