DC-DC變換器工程實例簡介劉德尚2013年12月26日1一、基礎(chǔ)知識回顧二、工程實例介紹內(nèi)容提要2一、基礎(chǔ)知識回顧31、DC-DC變換器的四種基本的拓撲結(jié)構(gòu)CukBuck-BoostBoostBuck4

PWM

PFM

PSMHybrid2、DC-DC變換器的調(diào)制模式5電壓模式控制峰值電流模式控制平均電流模式控制滯環(huán)電流模式控制相加模式控制電荷模式控制遲滯模式控制3、DC-DC變換器的控制模式6電壓模式控制優(yōu)勢①具有較好的抗噪聲裕量②占空比調(diào)節(jié)不受限制③多路輸出電源之間交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好④單環(huán)設(shè)計、調(diào)試比較容易⑤負載調(diào)整率較好劣勢①線性調(diào)整率差②閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計更為復(fù)雜③需要將主極點低頻衰減，或者增加一個零點進行補償④在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為麻煩復(fù)雜電壓模式控制BUCK變換器系統(tǒng)7峰值電流模式控制優(yōu)勢①輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快

②控制環(huán)易于設(shè)計

③簡單自動的磁通平衡功能

④逐個周期限流功能⑤自動均流并聯(lián)功能劣勢①占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定②容易發(fā)生次諧波振蕩③對噪聲敏感，抗噪聲性差④電路拓撲受限制⑤多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好峰值電流模式控制BUCK變換器系統(tǒng)8平均電流模式控制優(yōu)勢①平均電感電流能夠高度精確地

跟蹤電流編程信號

②不需要斜坡補償

③調(diào)試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越

④適合于任何電路拓撲對輸入或

輸出電流的控制

⑤易于實現(xiàn)均流

劣勢①電流放大器在開關(guān)頻率處的增益有最大限制

②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設(shè)計調(diào)試復(fù)雜平均電流模式控制BUCK變換器系統(tǒng)9滯環(huán)電流模式控制優(yōu)勢①不需要斜波補償

②穩(wěn)定性好，不容易因噪聲發(fā)生不穩(wěn)定振蕩劣勢①需要對電感電流全周期的檢測和控制②變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲滯環(huán)電流模式控制BUCK變換器系統(tǒng)10相加模式控制優(yōu)勢①屬于單環(huán)控制

②動態(tài)響應(yīng)優(yōu)于普通電壓模式

③在較少的輸出濾波電容下可實現(xiàn)過沖電壓?、茈娫床⒙?lián)時易于均流控制劣勢①需要精心處理電流、電壓取樣時的高頻噪聲抑制

相加模式控制BUCK變換器系統(tǒng)11電荷模式控制優(yōu)勢①反應(yīng)速度快

②不需要額外的補償電路③適用于電阻等線性負載和恒定功率等非線性負載劣勢①輸出電壓跟隨設(shè)定值階躍變化的響應(yīng)速度較慢②應(yīng)用領(lǐng)域尚需要開拓

電荷模式控制BUCK變換器系統(tǒng)12遲滯模式控制優(yōu)勢①無需補償電路

②瞬態(tài)響應(yīng)速度快③控制電路設(shè)計簡單

劣勢①線性調(diào)整率差

②需要高速比較器

③存在雙脈沖和次諧波振蕩

遲滯模式控制BUCK變換器系統(tǒng)13PS：又稱Bang-Bang模式、基于紋波的控制模式，下面講到的COT只是其中一種變形。3、控制模式比較與總結(jié)控制模式環(huán)路反饋信號穩(wěn)定性響應(yīng)速度電壓模式電壓單環(huán)輸出電壓需低頻零點補償線性調(diào)整率差峰值電流模式電流環(huán)，電壓環(huán)開關(guān)管峰值電流，輸出電壓斜坡補償，電壓快環(huán)補償線性、負載調(diào)整率均較好平均電流模式電流環(huán)，電壓環(huán)電感電流輸出電壓內(nèi)含斜坡補償，雙環(huán)補償線性調(diào)整率差滯環(huán)電流模式電流環(huán)，電壓環(huán)電感電流輸出電壓滯環(huán)帶內(nèi)含斜坡補償，穩(wěn)定性好跟蹤速度快相加模式電荷單環(huán)電感平均電流輸出電壓電壓放大器補償電容較小優(yōu)于電壓模式電荷模式電荷單環(huán)開關(guān)管電流無需補償響應(yīng)速度快遲滯模式電壓環(huán)輸出電壓無需補償，次諧波振蕩線性調(diào)整率差，負載調(diào)整率好14二、工程實例介紹15系統(tǒng)功能、拓撲框架、應(yīng)用背景？環(huán)路控制模式、調(diào)制模式？穩(wěn)定性問題、補償方法？常見功能模塊、具體實現(xiàn)形式？重點關(guān)注：16實例一：LM2677（電壓模/BUCK）1718電壓模環(huán)路控制：環(huán)路推導(dǎo)、內(nèi)部集成補償技術(shù)寬輸入范圍：耐壓設(shè)計、對環(huán)路的影響常見功能模塊的實現(xiàn)方式：基準、LDO、EA(誤差放大器)、OSC(振蕩器)、CurrentLimit(電流限電路)、Driver(驅(qū)動)實例一學習重點：19電壓模式的傳輸函數(shù)電壓模式BUCK其中：環(huán)路增益是反饋系數(shù)的函數(shù)，同時隨著VOUT的增加而變小，同時受到A(s)的影響其中：環(huán)路增益不受運放開環(huán)增益及反饋系數(shù)的影響20電壓模式的傳輸函數(shù)推導(dǎo)調(diào)制器級和功率級的增益推導(dǎo)經(jīng)計算可知方框內(nèi)的等效阻抗為：因此：因此，轉(zhuǎn)換器的增益為：因此該增益為：反饋、誤差放大及補償級增益為：21電壓模式的環(huán)路響應(yīng)傳輸函數(shù)請注意，環(huán)路增益直接作為VIN的函數(shù)來增加，這樣中頻增益應(yīng)該根據(jù)在最大輸入電壓下的工作來確定。在實際系統(tǒng)中，A(s)具有頻率很低的極點和位于LC雙極點之前的零點。這使得穩(wěn)壓器的DC環(huán)路增益遠高于中頻增益。不帶環(huán)路補償?shù)碾妷耗Ｊ浇祲悍€(wěn)壓器的典型頻率響應(yīng)22內(nèi)部集成頻率補償網(wǎng)絡(luò)零點遠低于極點頻率，在此頻率段內(nèi)呈現(xiàn)電感特性！極點遠低于零點頻率，在此頻率段內(nèi)呈現(xiàn)電容特性！LM267723實例二：BD9261（電流模/BOOST）24BD9261等效原理圖25整體電路架構(gòu)圖電流模環(huán)路控制：環(huán)路推導(dǎo)、斜坡補償常見功能模塊的實現(xiàn)方式：基準、LDO、EA(誤差放大器)、OSC(振蕩器)、RAMP(斜坡補償電路)、恒流源電路實例二學習重點：26電流模式的傳輸函數(shù)電流模式BUCK其中：27斜坡補償D>0.5時，電感電流的小擾動將會逐漸放大，導(dǎo)致次諧波震蕩現(xiàn)象。下斜坡補償：在控制電壓Vc上減去一個斜率為Se的電壓上斜坡補償：在檢測的電感電流信號上疊加一個斜率為Se的電壓，不穩(wěn)定現(xiàn)象將得到改善。28斜坡斜率的選擇對于斜坡補償，斜率越大，振蕩衰減越快，但補償斜率過大，會造成過補償。過補償會加劇斜坡補償對系統(tǒng)開關(guān)電流限制指標的影響，從而降低系統(tǒng)的帶載能力；另一方面，過補償會影響系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性。通常選擇斜坡補償斜率需根據(jù)需要折中考慮。工程應(yīng)用上，通常折中將斜坡補償信號的斜率設(shè)置為75%的采樣電感電流下降或上升斜率。BD926129BD9261中斜坡補償仿真結(jié)果30實例三：NCT3283（COT模式/BUCK）3132COT控制模式：工作原理、優(yōu)缺點、穩(wěn)定條件常見功能模塊的實現(xiàn)方式：基準、LDO、環(huán)路比較器、On-Timer(定時器)、電流限電路、過零檢測電路、驅(qū)動。實例三學習重點：3334Ripple-basedControlDrawback:InconstantFrequency35ConstantOnTimeControlCCMDCMACOT36穩(wěn)定性分析NCT328337在電容C1上面產(chǎn)生的紋波通過隔直電容Cdc耦合到VFB端。產(chǎn)生的額外紋波幅值為：外部斜坡補償為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作要求產(chǎn)生的額外紋波幅值滿足以下條件：常見工程問題總結(jié)環(huán)路穩(wěn)定問題上電、軟啟動耐壓、耐流能耗分析異常處理機制Trimming（修調(diào)設(shè)計）EMI（電磁兼容問題）Layout（版圖布局）電源完整性問題38能耗分析39①導(dǎo)通損耗：主要由以下三個部分產(chǎn)生：功率開關(guān)管、功率整流二極管、磁性元件②動態(tài)損耗（包括驅(qū)動損耗和交越損耗）③靜態(tài)損耗PM組DC-DC變換器項目列表40項目名稱適用拓撲類型控制模式LM3520BoostforLED

Driver電流模LM2677Buck電壓模LT1937Boostfor