基于BUCK 电路电压模式的反馈环路设计

课程设计
基于BUCK 电路电压模式的反馈环路设计——一个12至18V 输入3.3V/2A 输出的电源
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一、tps54231基本信息
各引脚功能
1. BOOT 开机，在BOOT和PH之间需要0.1µF自举电容，在这个电容电压低于最低要求时，高边的MOSFET被迫改为电容直到被刷新。

2. VIN 输入电源电压
3.EN 使能引脚下拉电压低于1.25V禁用，建议规划有两个分压分离电阻
4.SS 慢启动引脚外部电容连接到该引脚，设置输出上升时间
5.VSENSE 反向波节的gm误差放大器
P 误差放大器输入输出在该脚比较，频率补偿元件连接到该管脚
7.GND 地
8.PH 外部高边MOSFET的原动力
二、要求
电压输入范围:：12~18V
额定输出电压： 3.3V
输出纹波电压：30mV（1%）
输入纹波电压： 300mV
最大输出电流：2A
开关频率：570kHz
三、基本电路图
四、参数计算
1.1R 和2R
的选择
A V V R STOP
START μ31-=
取1R =332K
A
R V R EN
START EN
μ11
2+=
取2R =68.1K
2.输出电压设定点
Tps54231的开关频率设定为570KHz 。

TPS54231的输出电压是外部可调电阻分压器使用网络。

R5和R6组成输出电压分压网络，电阻分压器给出方程为
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+⨯=651R R V V ref out R5一般选择约10K Ω，在标准值匹配中选用 R5=10.2K Ω
REF
out REF
V V R R R -⨯=
56 V V out 3.3= V V REF 8.0=
⇒ ΩK R 264.36≈
在标准值匹配中 取 R6=3.24K Ω
3.输入电容
典型的去耦电容推荐为10µF，在此选择F C μ7.41=，F C μ7.42=作为去耦电路。

此外选择F C μ01.03=作为高频滤波。

这个输入脉动电压可以近似为
max max ,25
.0ESR I f C I V out sw
BULK out in ⨯+⨯⨯=
∆，
其中max ,out I 最大负载电流为2A ，sw f 开关频率为570KHz ，BULK C 为最大电容值 max ESR 为最大散装电容串联电阻。

纹波电流的最坏情况：
2
max
,out CIN I I =
=1A ，远低于3V （安全）。

mV ESR I f C I V out sw BULK out in 6.128018.0210
540101025
.0225.03
6max max ,=⨯+⨯⨯⨯⨯=⨯+⨯⨯=
∆-，加上其它误差仍远低于300mV （安全）。

4.电感选择
计算书橱电感的最小值
sw
out IND in out in out f I K V V V V L ⨯⨯⨯-⨯=
max ,max ,max ,min )(，其中IND K 是一个系数，表示电感纹波电流
的相对量的最大输出电流。

若采用低的ESR 输出电容，如陶瓷，K=0.3。

当采用更高的ＥＳＲ输出电容，能够得到更好的结果K=０.２。

这里采用陶瓷的，K=0.3。

V V in 18max ,= KHz f sw 570=
⇒
H L μ9.710
57023.018)
3.318(3.33
min =⨯⨯⨯⨯-⨯=
∴选择H L μ101
=。

此时RMS 电感电流
8
.0)(max ,max ,⨯⨯⨯-⨯=
sw out in out in OUT LPP f L V V V V I
2
2max ,)(LPP out RMS L I I I +=
⇒ A I RMS L 001.2]10
5708.0218)3.318(3.3[12122
32)(=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯+= 峰值电感电流
A I I I LPP
out PK L 03.22
max ,,=+
=
在允许范围内，所以H L μ101=
5.输出电容
输出电容最低值
)2/(1max _0min _CO o F R C ⨯⨯⨯=π，其中，0R 为输出的负载阻抗，0
0I V R =，CO F 理想交叉频率为25KHz 。

F C o μπ565.310
253.322
3
min _=⨯⨯⨯⨯=
输出纹波电压估算
]4)
5.0([
ESR o
sw LPP OPP R C f D I V +⨯⨯-=
对于这个设计实例 F C μ478=，F C μ479=。

6.补偿元件76,C C
⇒ 94.193=D C G
V A GM COMP /9=, 800=ggm V , V V REF 8.0=
取标准值Ω=K R 4.293。

调制器和输出滤波器增益
3)2log(20+⨯⨯⨯⨯-=O CO SENSE C F R Gain π , R SENSE = 1Ω/9
⇒ dB Gain 9.5-=
断相
10)2tan()2tan(-⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=O O CO O ESR CO C R F a C R F a PL ππ
其中，ESR R 为输出的等效串联电阻电容。

⇒ PL = –93.8
阶段提高
PB = (PM - 90 deg ) + PL
63.9=⇒PB
另外：deg)452
tan(+=PB
k
k
F F CO
Z =
1 k F F CO P ⨯=1
⎩⎨⎧==⇒KHz F Hz F P Z 8.10757981
1
Z Z Z R F C ⨯⨯⨯=
121
π
Z
P P R F C ⨯⨯⨯=
121
π
⎪⎩⎪⎨⎧
=⨯⨯⨯==⨯⨯⨯=⇒pF C pF C P Z 50294001078002193429400579821ππ 即⎩⎨
⎧==pF C pF C 4710007
6
7.自举电容选择
4C 为自举电容，一般选择F C μ1.04=，该自举电容位于PH 和Boot 引脚之间，
一般选用陶瓷电容R X 5和R X 7。

8.肖特基二极管选择
要求 反向电压>PH 的电压，即5.0max ,+out V ，电流必须大于max ,out I 加半峰值到峰值。

所以选B240A,具有反向电压40V,前向2A 和0.5V 正向压降。

五、小结
本次设计查阅了大量BUCK电路，T1公司的tps54231，lt1765的资料，对BUCK 电路，特别是其加入反馈后的电路有了跟深刻的认识。

其中各个电子器件的计算让我初步具有了设计电路的能力。

同时大量的英文文献，也增强了我对英语资料的阅读能力。

六、参考文献
1.德州仪器，“2A, 28V INPUT, STEP DOWN DC/DC CONVERTER WITH ECO-MODETM ”
2010年 3月 1日2.德州仪器，“TPS54231EVM-372 2-A, SWIFT™ Regulator Evaluation Module”
2008年 10月 8日
3.黄帆，基于BUCK 电路电压模式的反馈环路设计实例（缩略板）2009年 8月27日
4. LINER ，LT1765/LT1765-1.8/LT1765-2.5/LT1765-3.3/LT1765-5数据表。