BUCK-电源工作原理

线性电源
• 线性电源特点： • 电路简单，不会产生干扰，输出纹波小， • 调整管工作在放大状态，功耗大，效率低， 发热量大，降低了元件的可靠性， • 因此线性适合用于输入/输出压差小，电流 小的场合。
2018/7/26
线性电源： OP + MOS 形式 .
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线性电源
• 注意事项： • Vo = 2.5*R585/(R584+R585) • ID > Iomax • PD > (Vin-Vo)*Iomax • Vg > Vo + Vgs
Buck电路工作原理分析
• 电感电流：
2Baidu Nhomakorabea18/7/26
Buck电路工作原理分析 • 输出电容的电流波形：
• 电感电流： • 输出电容电流： • 要选择工作纹波电流大，ESR小的输出电容，为 降低输出纹波电压，可用多个小容量的电容并联 使用。
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Buck电路工作原理分析
• 根据负载大小变化，BUCK 电源工作在 CCM 与 DCM 两种状态。 • CCM: Continuous Current Mode • DCM: Discontinuous Current Mode • 在CCM 模式，电感电流在整个周期内都时连续的， Po=1/2*L*(IL12-IL22) • 在 DCM 模式，一个周期内，有段时间电感电流 为零。 Po=1/2*L*IL2=V02/R • IL=sqrt(2*Vo2/LR)
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•=
两种模式下的工作电流波形：
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Buck电路工作原理分析
电感电流波形： CCM
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Buck电路工作原理分析 电感电流波形：DCM
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Buck电路工作原理分析
• 由上可知，电感电流由直流（Io）和纹波电流 （ ）两部分组成； • 在CCM 模式，电感电流随负载电流变化，但纹波 分量并不改变，由此可以看出负载变化时占空比 不变。 • 当负载减小到使电感电流从刚好零开始时，此为 CCM与DCM 转换的临界状态。 • 进一步减小输出负载，此时并不需要很大的电感 电流维持输出功率，电感开始减小，占空比也减 小，而电感也在开关管下次导通之前电流降为零。 电路进入 DCM 模式，在此模式下，占空比随着负 载变化而变化。
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• LDO 电路: Low Drop Out
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• 此外，为提高电源工作的可靠性，还需有 UVP，OVP，OCP等功能，这此功能都集 成到芯片内部。
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应用实例
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• 输出电压 Vo: • IC内部集成了一个有关0.9V 基准电压的误 差放大器, 所以: • Vo=0.9*(R497+R501)/R501=2.5V
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CPU 电源解析： .
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主变换电路：
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电路分析：
• 当电路中上管导通时，源极电压等于电源 输入电压，因此驱动管的栅极电压 =Vin+Vgs, IC 不能直接驱动，IC 内部将上 管的驱动路采用浮地的方式，外接自举电 容组成偏置电路来驱动上管。
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Buck电路工作原理分析
• 模式间转换过程：
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DCM 模式，电感电压不为零？
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Buck电路工作原理分析
• 模式间转换过程：
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同步整流电路分析 • 非同步整流电路结构简单，容易驱动，但 因作为续流的肖特基二极管管压降大，功 率损耗较大，导致整个电源效率降低，所 以一般用在输出电压较高，输出电流较小 的场合；而对于用在低电压，大电流的场 合，如 CPU 的供电电源则需用同步整流电 路。
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• 稳压原理：
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• 限流检测(限流）：
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• 电流检测（通道平衡）：
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主板电源类型：
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• 通道电流平衡： • 为使每通道的达到热平衡，需要每通道的电感电 流大小一致，IC内部处理方式：采样每通道的电 流，将各通道电流求和平均，与相电流相减，产 生一个误差信号Ier，再和Vcomp相减，调整各相 PWM 宽度，达到电流平衡，各相 Ier为零时，则 电流达到了平衡。 • 电流平衡是通过检测流过下管Rds(on)来实现的。
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• Buck电路特点:
• 效率高, 可靠性好 • 工作频率高, 使电路中电压/电流波形的快瞬变化, 产生电磁幅射干扰. • 元件布局和PCB布线难度较大. • 输出电压纹波比较大.
• 电路复杂, 成本高.
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线性电源
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线性电源分类： • .
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Is
Buck电路工作原理分析 • .
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Buck电路工作原理分析
• 电感电流： （开关管 ON）
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Delta ILon= (Vin-Vo)*Ton/L
Buck电路工作原理分析
• 电感电流： （开关管 OFF）
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Delta ILoff= Vo*Toff/L
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上管驱动原理：
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• MOS管的驱动电路：
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控制部分： • .
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PWM 调制原理 • .
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PWM 调制原理
CPU工作时会根据负荷的大小发出一组VID代码 给电源IC，经过数/模转换后，得一模拟电压值， 即为CPU 所需的工作电压。电源IC 以此电压为 参考值，将之与CPU 实际电压信号的差值进行放 大，得到误差信号Vcomp, 再与电源IC 内部产生 的锯齿波信号进行比较，产生PWM信号，控制开 关管的关断，使输出电压调整到符合 VID 相应的 电位。
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• 应用电路：
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两种电路比较： .
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• 同步电路应用实例：
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• 同步整流电路特点： • 同步整流电路用下MOS管代替开关换器的续流二 极管，其导通电阻小，大大降低了整流损耗，提 高了电源效率。 • 因下管作续流管用，所以要求其体二极管的反向 恢复电荷小，栅极电阻小，用开关特性好等。 • 为一避免上下管同时导通，要求两管的驱动信号 间须留有一死区时间，在死区时间内，电流从下 管的体二极管内流过，增加了损耗。
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• 根据以下条件计算相关参数： • Vin = 5V Vo=2.5V • Io=3.0A Fs=300KHz • 根据前面公式：Duty=Vo/Vin=2.5/5=0.5 • Ton=0.5/300000=1.67uS 设： ΔIo=Io*10%=3.0*30%=0.9A • L=(Vin-V0)*Ton/ΔIo • =(5-2.5)*1.67/0.9 • =4.7uH
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同步整流电路特点：
在稳态时，电感电流上升和下降的变化量是相等 的，但上下管导通时间不同，两管的电流有效值 也不同，导通时间越长，电流有效值大，管子发 热也大。 根据上图计算上下管的电流有效值： Irmsup/Irmsdn=sqrt( D/(1-D)) Vcore=Vin*D=>D=Vcore/Vin=1.6/12=0.133
代入上式：Irmsup/Irmsdn=sqrt(0.133/(1-0.133))=0.4
Irmsdn=2.5Irmsup 所以下管必须用电流容量更大的管或双管并联。
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• 避免双管同时导通：
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多相变换器 • .
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• 多相变换器做优点： • 将变换器产生的热量分布在各相电路上，而且散 热面积大，不用散热片。 • 各相电流叠加后纹波减小，降低了输出电压纹波 幅度，减少了输出电容的数量。 • 减小了单相大电流时多管并联的设计难度和对磁 芯的要求。 • 降低了各相变换器的工作频率，减小元件分布参 数的影响及干扰。
Buck电路工作原理分析：
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Buck电路工作原理分析：
D
L
Vo
Io S D
T
1-D
Vin
S
Vin-Vo UL
-Vo
根据L的伏秒平衡原则： (Vin-Vo)*DT=Vo*(1-D)T
IL
I o
Io
Vo=Vin *D
根据L在1-D时间的基本方程： L*ΔIo=Vo *(1-D)T ΔIo=Vo *(1-D)T/L
• 保证漏源极间的压差使MOS管工作在放大状态: • 当输出为静态负载时，可在 IC 一二脚间并联一小电容， 减小输出纹波； • 动态负载时则不需此电容，以提高电路的动态响态速度。
2018/7/26
• MOS管的工作状态：
iD
vDS /V
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• 线性电源
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• 求复合管的输出电压： • 根据上图得NPN管的Vb= R235/(r234+R235)=2.2V • 则 Vo=2.2V-0.7V=1.5V • 分析此问题时，忽略了Ib的影响，因此在确 定电路参数时，使IR 235>> Ib, 在输出负载 变化引起Ib 变化时,使 Vb 不受太大影响,保 证输出电压的稳定。