电源设计入门

1. DC-DC Power 设计原理
• Buck电路有两种工作模式，一种为连续模式，另一种是不连续模式。 其中，连续模式是主要应用模式。 • 连续模式可以用两种状态来进行电路分析。 • Turn On 模式等效电路
1. DC-DC Power 设计原理
• Turn ON状态下，Buck电路中电压及电流波形。
1. DC-DC Power 设计原理
• 从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的 原则是使 us(t)的直流分量可以通过，而抑制 us(t) 的谐波分量通过； 电容上输出电压 uo(t)就是 us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) • 电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t) 很小，相 • 对于电容上输出的直流电压Uo有：
• 电容上电压宏观上可以看作恒定。 电路稳态工作时，输出电容上电压 由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流， 这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理
1. DC-DC Power 设计原理
• 一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升 高，导致后面 周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这 种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果 一个周期内放 电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、 放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到 充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡 过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到 平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。 • 开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S置于2位时， 电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个 开关周期内电感上磁链增量为：ΔΨ=L（Δi）>0,此增量将产生一个平 均感应电势：u= ΔΨ/Τ>0,此电势将减小电感电流的上升速度并同时降 低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为 零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳 态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象 称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍 规律
1. DC-DC Power 设计原理
• 如表所示， 在PSU只提供12 V电压的情况下，我们需要在主板上通 过设计提供额外超过10组电压，并保证达到后端设备对于电源质量的 要求。 •
1. DC-DC Power 设计原理
• • • • Buck 电路 俗称斩波器，正式名称：降压式变换电路。 原理结构图如下. 主要构成元器件：modulator控制元件，开关元件，输出元件。
2. DC-DC Power应用电路
• 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简 称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一 种非常有效的技术. • PWM运用的主要原理就是Buck电路，其主要function结构如下：
2. DC-DC Power应用电路
1. DC-DC Power 设计原理
• Turn Off 模式等效电路
1. DC-DC Power 设计原理
• Turn off 状态下， Buck电路中电压及电流波形。
1. DC-DC Power 设计原理
• 由以上波形可见，电感上的电压可以由电感的感量及电流和时间的微 分来表示。具体计算公式如下。
2. DC-DC Power应用电路
• 如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很 高的效率。 • 如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的DCDC了 ，因为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是等于输出电 流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。 • 而开关型dc-dc电路，就是PWM电路。
1. DC-DC Power 设计原理
• • • • • 那么如何定义DC电压的值？ 首先，引入RMS： root mean square RMS值实际就是有效值,就是一组统计数据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。 在直流（DC）电路中，电压或电流的定义很简单，但在交流（AC） 电路中，其定义就较为复杂，有多种定义方式。均方根（rms）指的 是定义AC波的有效电压或电流的一种最普遍的数学方法。 要得出rms值需要对表示AC波形的函数执行三个数学操作： （1）计算波形函数（一般是正弦波）的平方值。 （2）对第一步得到的函数求时间平均值。 （3）求第二步得到的函数的平方根。 在一个阻抗由纯电阻组成的电路中，AC波的rms值通常称作有效值或 DC等价值。比如，一个100V rms的AC源连接着一个电阻器，并且其 电流产生50W热量，那么对于100V连接着这个电阻器的电源来说也 将产生50W的热量。
• 分离型PWM IC
4.主要应用元件选择
• • • • • • 需要考虑的主要参数如下： Vin，Vcc及Boot to SW 决定了电路的应用电压 Vout 决定了输出电压范围 Io决定的最大负载 Fs决定了应用频率范围 Tj决定了应用温度
4.主要应用元件选择
• MOSFET参数表（Static @ TJ = 25°C）
2. DC-DC Power应用电路
• Ramp 三种触发形式，下降沿触发，上升沿触发，双边沿触发。
3.设计主要参数
• IC对于电源质量的要求： • 1.信号时序。 • 2.负载强度。 • 3.静态负载电压纹波。 • 4.动态负载电压纹波。 • 另外： • 5.保护功能。 • 6.转换效率。 附件就是HP对于DC-DC设计的测试项目及要求。 但是由于时序，负载强度和保护功能都是由元件参数固定的，对于设计 来说主要面对的是直流输出电压纹波，交流电压纹波及转化效率的考虑 。
1. DC-DC Power 设计原理
• 由以上两个方程解出 • 当定义TS为Ton+Toff，D=Ton/TS，那么1-D=Toff/Ton，以上公式可 以转化为：
1. DC-DC Power 设计原理
• 当忽略电路中伴生电阻和电感带来的干扰，可以简化以上方程为理想 方程： • Vout=Vin*D=Vin*Ton/Ts • 由此可见，在Buck电路中Vout的值是由Ton的时间来决定，
• • • • •
1. DC-DC Power 设计原理
• 对正弦波来说，rms值是峰值的0.707倍，或者是峰-峰值的0.354倍。 家用电压是以rms来表示的。所谓的“117V”的交流电，其峰值（pk ）约为165V，峰-峰值（pk-pk）约为330V。 • 因此，在测量输出电压准位（loadline),需要RMS值来作为有效输出电 压值，但在确认输出电压纹波（Transient &Ripple）都需要峰值（ pk)来作为有效值跟RMS值来作比较。
2. DC-DC Power应用电路
• 首先，静态负载电压纹波产生的原因可以用如下方程表示。 • ΔV=ΔI*ESR
3.设计主要参数
• 其次，在动态负载情况下，电容等效模型及阻抗图如右 图。 • 因此，动态负载下，Vdrop可以表示为如下公式。
3.设计主要参数
• • • • 关于效率，主要是减少各种元器件带来的无效功耗。 电感的ESR及磁损。 电容的DCR带来的热损耗。 开关元器件的损耗分为开关损耗和阻抗损耗可以由以下公式表示：
DC-DC power design accidence
Catalog
• • • • • • • 1. DC-DC Power 设计原理 2. DC-DC Power应用电路。 a.LDO b.PWM 3.设计主要参数 4.主要应用元件选择 5.Power budget意义及制作
1. DC-DC Power 设Байду номын сангаас原理
4.主要应用元件选择
• MOSFET参数表（Static @ TJ = 25°C）
4.主要应用元件选择
• • • • • • • BVDSS -漏源击穿电压 ΔBVDSS/ΔΤj-失调电压温度系数 RDS(ON) -漏源通态电阻 VGS(th) -开启电压 IDSS -零栅压漏极电流 IGSS -栅源漏电流 Gfs -跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变 化量之比，即gFS=△ID/△VGS。典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电 流和VDS=15V下测得. • Qgs, Qgd, 和 Qg ：栅电荷 栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上 的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电 荷的影响。 Qgs从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点 之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到vGS等于一个特定 的驱动电压的部分
2. DC-DC Power应用电路
• LDO : low dropout regulator • 意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的 线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出 2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件 显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v，显然是不 满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。
• 市电传输的是220V，50Hz的交流电，无法直接用于主板，必须经由 整流电路转变为直流电，普通的ATX电源提供12V，5V ，3.3V，三种 电压，专用服务器电源一般只提供12V电压，但主板上由于各种芯片 及设备的不同，要求提供各种不同规格及质量的电源，dc-dc Power design就是如何设计电路来达到主板上各种 不同设备对电源的要求及 实现ATX电源的高效利用。
• 功能模块图
2. DC-DC Power应用电路
• 典型Modulate电路。 • 由下图可见， Oscillator产生一个Ramp的三角波与Comp信号比较作 为RS触发器的R输入端，一个CLK信号作为RS触发器的S输入端，通 过RS触发器来产生PWM H/L-side MOSFET调节信号。
4.主要应用元件选择
• • • • • • 根据以上的设计参数来确定元器件参数。 元器件可主要分为： 1. PWM IC 2. Switch components（MOSFET） 3. Inductance 4. Capacitance
4.主要应用元件选择
• 整合型PWM IC。
4.主要应用元件选择
• 下图为Max8794 Functional Diagram
2. DC-DC Power应用电路
2. DC-DC Power应用电路
• 可以看到，上图中的分压电路使用 MOS 功率晶体管，它能够提供最 低的压降电压。使用 功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源 设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压 降只有几十毫伏。 • 低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，LDO线 性稳压器的性能之所以能够达到这个水平主要原因在于其中的调整管 是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟 道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消 耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体 管进入饱和状态而降低输出能力， 输入和输出之间的电压降不可以太 低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘 积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。
1. DC-DC Power 设计原理
• 实际电路中，由于元器件并不是理想元器件，会有伴生一些系数对电 路分析造成影响，主要的因数有RDSon, RL。 • 因此，在Turn On 阶段，ΔIL(+)的表达式可以用以下公式来表达。
• 由于Turn On 阶段，电感处于充电时间，VL可以表示为VI及Swith上 由于电流和RDSon造成的压降VDS，电感本身DCR造成压降IL*RL的差 值来表达，由于ΔIL是一个随时间变化而变化的变量，它的值由Turn On 的时间Ton决定。 • 相应的Turn Off阶段的ΔIL(-)，可以用以下公式来表达。