buck降压变换器原理及应用

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2 原理分析
VCE
V1

+ S1
IC
IL
Vin -
ID
V1
V0
I0
V0 RL
TON
TOFF
T ΔIL
IC ILP
DC-DC 变化器的基本工作原理,其电路原理图及其 波形见图 1。
假设功率开关管 S1 导通时的电压降 VCE=Vsat,续流二 极管 D 导通时的正向压降为 VD,储能电感 L 上的最小电 流 ILmin=0,D1 为开关管 S1 导通时间占空比,D2 为开关管 S1 断开时间占空比,D1、D2 均小于 1,T 为周期。
EML3406B 广泛应用于各种便携式设备,包括数码相 机、MP4、手机等等,为其主控 IC 提供稳定的电源。比 如说福州瑞星微(rockchip)的 26 系列以及最新的 27 系 列,EML3406B 已经广泛的应用其中为其主控 IC 提供性 能优异的电源。其中 26 系列需要 1.8V 的电压、27 系列需
1 简介
对于手提式电子产品,如 MP4 播放器、数码相机、 PDA 等普遍采用锂电池供电,这些数码产品的系统中所 采用的核心处理芯片,如 MPU/DSP 等采用 3.3V/2.7V/1.2V 的工作电压。为保证系统稳定、可靠地工作,通常采用 DC-DC 开关变换器来提供工作电压。晶镁电子的 Buck IC EML3406B 就非常适合这些应用,因为它采用电流反馈、 电压反馈双环控制,对输入电压变化响应快,抗干扰能 力强,回路稳定性好,负载响应快,相对于 LDO 来说还 具有更高的转换效率。本文主要介绍了 Buck IC 的工作原 理、公式推导以及 EML3406B Buck IC 产品应用。
BUCK 降压变换器原理及其应用
摘 要: 便携式电子产品普遍采用锂电池供电。为保证系统稳定、可靠地工作,通常采用 DC—DC 开关变换器提供工作电压。本文 对 BUCK 变换器的原理及应用进行了详细分析,并介绍了晶镁电子的应用产品 EML3460B。
关键词: 便携式电子产品;DC—DC 开关变换器;PWM;占空比
当锂离子电池不断放电,电池电压不断降低到3.3V 时,EML3406B 进入了 LDO 模式,此时 EML3406B 就会 从 PWM 模式自动转换为 LDO 模式,转折点附近的稳定性
对于整机来说极其关键,EML3406B 具有优异的转折点特 性,具体曲线如图6所示。
从图 6 可以直观的看到,当输入电压接近输出电压也 就是 EML3406B 从 PWM 模式转换为 LDO 模式时,输出电 压的纹波曲线很平滑,没有任何的毛刺,同时输出电压纹 波也会变小,能给系统的主控 IC 提供一个稳定的电源, 因此能够为整机提供优异的稳定性。
由式 (2) 和 (9) 可得临界工作模式时的电感为 LC,定 义为临界电感:
(11) 当 buck 电路工作在电感电流连续工作模式下,考虑 滤波电容 C 有内部寄生电阻 ESR,考虑续流二极管 D 的 纹波电流 iD1 会全部流进滤波电容器 C,以保证负载上得 到平直的直流电流。流经电容的电流 ic 是(iL-Io),ic 对 电容充电产生的电压 ΔVo 称为纹波电压。
2、图 3 和图 4 是 EML3406 的输出电压纹波的测试数据。 对于采用锂离子电池供电的系统来说,如果需要一个
3.3V 稳定的电源,当锂电池电压降低到接近 3.3V 时,有 些 Buck IC 已经不能正常工作或者输出电压纹波会很大,
图 2 Temp=-40℃,Vin=3.6V,Vout=1.2V,Iload=300mA, Cin=10uF(Ceramic),Cout=10uF(Ceramic)并联10uF(Ceramic)
3 Buck IC 应用分析
台 湾 晶 镁 电 子 股 份 有 限 公 司 的 B u c k i c 主 要 有 E M L 3 4 0 6 B 、 E M L 3 4 1 2 、 E M L 3 4 1 6 、 E M L 3 4 1 7 以 及 EML9366,能提供的负载电流最大为 1.5A,下面主要介绍 EML3406 的相关特性及其应用。
ΔIL ID
ΔIL IL
图 1 buck DC-DC 变换器的电路原理图及其波形
极管 D 承受反方向电压,呈现高阻态。 在开关管 S1 导通期间,电感电流增量为:
(1)
99 SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION 2008年07月
当开关管 S1 断开时,由于电感线圈 L 中的磁场将改 变电感线圈 L 两端的电压极性,以保持电感电流 IL 不变。 这样电感线圈 L 中的磁能将转换成电压 VL(VL 极性左负 右正),VL 将向电容 C 和负载 RL 供电。当 VL 高于 VO 时,电容 C 上有充电电流;当 VL 等于 VO 时,电容 C 上 充电电流为零;当 VO 有降低趋势时,电容 C 向负载 RL 放 电,维持 VO 不变。
(7)
当电感较小或负载电阻较大或周期 T 较大时,buck
变化器会工作在电感电流不连续工作模式,将造成整体功
耗的增加和整体性能变差,因此应避免变换器工作在电感
电流不连续工作模式。buck 变换器工作在电感电流连续工
作模式和不连续工作模式之间有个临界状态,由图 1 所示
在开关管 S1 断开期间,电感电流增量为:
Fra Baidu bibliotek
(2)
由于电感本身不消耗能量,因此稳态时电感电量在两 个阶段的绝对值应该相等,即:
|ΔiL1|=|ΔiL2| (3) 由 (1)、(2)、(3) 式可得:
化简 (4) 式得:
(4) (5)
IL 图形可知其发生条件为:
连续工作模式:
(8)
临界工作模式:
(9)
不连续工作模式:
(10)
Temp=85℃,Vin=3.6V,Vout=1.2V,Iload=300mA, Cin=10uF(Ceramic),Cout=10uF(Ceramic)并联10uF(Ceramic)
图 4
图5.Temp=25℃,Vin=3.6V,输出电压随负载的变化曲线
图6.输出电压纹波随输入电压的变化曲线
从而不能给主控 IC 提供一个稳定的 3.3V 电压,造成系统 的失控。但是 EML3406B 却完全能够胜任这种条件的应用 要求。设定 EML3406B 的输出电压为 3.3V,锂离子电池作 为 EML3406B 的输入电压。
假设理想情况下,续流二极管 D 的导通压降 VD≈0, 功率开关管 S1 导通压降 Vsat≈0。
当该 buck 变换器工作在电感电流连续工作模式,则 Dl+D2=l,化简 (5) 式可得 buck 电路在电感电流连续工作 模式下的电压增益 M 的一般表达式:
(6) 当该 buck 变换器工作在电感电流不连续工作模式, 则 Dl+D2≠1,化简 (5) 式可得 buck 电路在电感电流不连 续工作模式下的电压增益 M 的一般表达式:
100 SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION 2008年07月
要 1.2V 的电压。Rockchip 的 27 系列的主控 IC 需要 1.2V 的稳定电源,对该 1.2V 电源的纹波要求非常严格,晶镁 电子的 EML3406B 完全符合 rockchip 的 27 系列主控的要 求,已经通过测试并已在 rockchip27 系列中广泛使用,图
EML3406B 是为了适用于便携式设备而设计的高效率 降压 DC-DC 变换器。它的特点是在没有负载的情况下具 有极低的静态电流,这样可以延长在待机模式下的电池使 用寿命。EML3406B 的输入电压范围为 2.5~5.5V,最大负 载电流为 600mA;1.5MHz 的高开关频率能够使用面积更 小的表面贴片电感和电容,这样可以有效地减小整个 PCB 的面积;采用内置的同步整流开关管,可以不必再使用外 部的肖特基二极管,而且还能达到提高效率的目的,效率 高达 95%。EML3406B 是基于 PWM 脉冲宽度调制方式, 这样能够得到低的输出电压纹波和固定的噪声频谱,还能 工作于具有 100% 占空比的 LDO 模式。EML3406B 具有很 低的基准电压,这样能够得到 0.6V 稳定的输出电压。
102 SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION 2008年07月
图 3 Temp=25℃,Vin=3.6V,Vout=1.2V,Iload=300mA, Cin=10uF(Ceramic),Cout=10uF(Ceramic)并联10uF(Ceramic) 备注:黄色波形为输入电压波形的 AC 部分,蓝色波形为输出电压波形的 AC 部分。
101 SEMICONDUCTOR COMPONENTS APPLICATION 2008年07月
当开关管 S1 导通时,电感电流 IL 如图所示方向流过 电感线圈 L,电流线性增加,电能以磁场能量形式储存在 电感线圈 L 中。此时,对电容 C 充电,负载 RL 上流过的 电流为 IO,RL 两端的输出电压为 VO,极性上正下负。由 于开关管 Sl 导通,续流二极管 D 阳极接 Vin 负极,续流二
(12) 此时就可以确定出电容器所需的等效串联电阻 ESR 为:
(13) 在开关管 S1 导通时,续流二极管 D 是处于方向截止 状态,因此续流二极管 D 的反向最大耐压 VDmax 为:
(14)
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