对策:RC缓冲抑制电路 见Buck电路|EMI问题对策 —— DAVID 添加RC缓冲电路可有效地抑制振铃现象,同时会造成开关切换损耗的增加。 RC缓冲电路应当放置在紧靠开关节点和功率地处。在使用外部MOSFET开关的Buck转换器中,RC缓冲电路应当直接跨过下桥MOSFET的漏极和源极放置。下图示范了RC缓冲电路的放置位置。
覆晶式
下图显示覆晶式(FCOL,Flip-Chip-On-Lead)SOT-23-6封装的内部结构。(为清楚说明,晶粒以透视图显示)硅晶粒的正面透过焊柱直接贴着于导线架,使得热与电可直接由硅晶粒传至导线架。焊柱的联机长度非常短,电阻、电感和杂散电容都明显地降低,所以
I
2
R
I^2R
I2R和开关造成的损耗都因此而降低,同时废热也可减少。所有的接脚现在都如同小散热片,可达降温效果,所以有更多的热从封装传到PCB,因此而降低晶粒温度。图四显示了同样消耗0.5W、在FCOL封装时,该元件的热模拟。上述热仿真清楚地显示在FCOL封装时,所有接脚的热传导更均匀,且在该元件中间接脚的周围并无形成热点。
开关电源
(SMPS, Switched-Mode Power Supply) 是一种非常高效的电源变换器,其理论值更是接近100%,种类繁多。按拓扑结构分,有Buck,Boost,Buck-Boost,Charge-pump等;按开关控制方式分,有PWM,PFM;按开关管类别分,有BJT,FET,IGBT等。本次讨论以数据卡电源管理常用的PWM控制Buck Boost型为主。
三种基本的非隔离开关电源
Buck降压型电路
V
o
=
V
i
n
×
D
,
V
o
<
V
i
n
Vo=Vin×D,Vo<Vin
Vo=Vin×D,Vo<Vin
Boost升压型电路
V
o
=
V
i
n
/
(
1
−
D
)
,
V
o
>
V
i
n
Vo=Vin/(1-D),Vo>Vin
Vo=Vin/(1−D),Vo>Vin
Buck-Boost升降压型电路
V
o
=
V
i
n
×
D
/
(
1
−
D
)
Vo=Vin×D/(1-D)
Vo=Vin×D/(1−D) 当
D
<
0.5
,
V
o
<
V
i
n
D<0.5,Vo<Vin
D<0.5,Vo<Vin;当
D
>
0.5
,
V
o
>
V
i
n
D>0.5,Vo>Vin
D>0.5,Vo>Vin
续流二极管在开关管关闭时有电流通过,形成续流通路;需要选择肖特基二极管,肖特基二极管VF值越低,转换效率越高; 续流二极管额定电流值大于最大输出电流,正常工作时平均正向电流可计算如下:
I
D
A
V
G
=
I
O
U
T
M
A
X
×
V
I
N
−
V
O
U
T
V
I
N
I_{DAVG}=I_{OUTMAX}×\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{V_{IN}}
IDAVG=IOUTMAX×VINVIN−VOUT 续流二极管反向耐压大于最高输入电压,建议预留30%以上裕量。 常见型号
相关知识见【电路补习笔记】3、电感的参数与选型 一般情况下,环形铁硅铝磁芯的电感比黄白环铁粉芯的电感效率高5%左右。 电感维持一个持续的电流到负载端,电感上的纹波电流是取决于电感值的: 大感值减小电流峰-峰值。但是考虑到电感值会增加磁芯面积、导线串联电阻以及也会减小一定的电流带载能力,一般来说,电感值基于纹波电流的需求容限来选择,即按下式:
L
=
D
M
I
N
×
(
V
I
N
−
V
O
U
T
)
f
S
W
I
L
O
A
D
M
A
X
K
R
I
P
P
L
E
=
V
O
U
T
×
(
V
I
N
−
V
O
U
T
)
V
I
N
f
S
W
I
L
O
A
D
M
A
X
K
R
I
P
P
L
E
L=\frac{D_{MIN}×(V_{IN}-V_{OUT})}{f_{SW}I_{LOADMAX}K_{RIPPLE}}=\frac{V_{OUT}×(V_{IN}-V_{OUT})}{V_{IN}f_{SW}I_{LOADMAX}K_{RIPPLE}}
L=fSWILOADMAXKRIPPLEDMIN×(VIN−VOUT)=VINfSWILOADMAXKRIPPLEVOUT×(VIN−VOUT) 式中,
V
I
N
V_{IN}
VIN是输入电压,
V
O
U
T
V_{OUT}
VOUT为输出电压,
f
S
W
f_{SW}
fSW为开关频率,
I
L
O
A
D
M
A
X
I_{LOADMAX}
ILOADMAX为最大负载电流,
K
R
I
P
P
L
E
K_{RIPPLE}
KRIPPLE为纹波系数。通常选择
K
R
I
P
P
L
E
K_{RIPPLE}
KRIPPLE = 30%使得纹波电流峰-峰值为最大负载的30%左右。 电感值确定后,电感电流峰-峰值可按下式计算:
I
L
P
K
−
P
K
=
V
O
U
T
×
(
V
I
N
−
V
O
U
T
)
L
×
V
I
N
×
f
S
W
I_{LPK-PK}=\frac{V_{OUT}×(V_{IN}-V_{OUT})}{L×V_{IN}×f_{SW}}
ILPK−PK=L×VIN×fSWVOUT×(VIN−VOUT) 峰值电感电流按下式计算:
I
L
P
K
=
I
L
O
A
D
M
A
X
+
1
2
I
L
P
K
−
P
K
I_{LPK}=I_{LOADMAX}+\frac{1}{2}I_{LPK-PK}
ILPK=ILOADMAX+21ILPK−PK 选择的电感不能在电流达到
I
L
P
K
I_{LPK}
ILPK时饱和,最大输出电流可按下式计算:
I
O
U
T
M
A
X
=
I
L
I
M
−
1
2
I
L
P
K
−
P
K
I_{OUTMAX}=I_{LIM}-\frac{1}{2}I_{LPK-PK}
IOUTMAX=ILIM−21ILPK−PK
I
L
I
M
I_{LIM}
ILIM 为内部限流典型值,如对于AP2961A,电气特性所示为4.5A 电感饱和电流按经验一般取最小为
1.5
×
I
O
U
T
M
A
X
1.5×I_{OUTMAX}
1.5×IOUTMAX;选用低直流电阻的电感可获得更高的转换效率。
电容
相关知识见【电路补习笔记】2、电容的参数与选型
C
I
N
C_{IN}
CIN: 电解电容并陶瓷电容(低成本) 为了保证芯片足够低的输入纹波电压,须仔细选择输入电容。强烈推荐使用低ESR电容。因为在这个电容上流过的电流变化很大,它的ESR同样会影响到转换效率。输入电容须大于10μF。瓷片电容是首选(X5R或X7R),如果是钽电容和电解电容需考虑电容选型中额定RMS纹波电流比芯片工作在VOUT/VIN=50%时的RMS纹波电流要大(即大于输出电流的50%)。输入电容要尽可能的紧靠IC的IN脚和GND脚,走线也要尽可能的短。在使用钽电容和电解电容时,如果紧挨IC并联了一个10μF 瓷片电容,钽电容或电解电容可放置的远一些。 由于输入电容吸收输入开关电流,它需要足够的纹波电流额定值。输入电容的RMS电流可以估算:
I
C
1
=
I
L
O
A
D
×
V
O
U
T
V
I
N
×
(
1
−
V
O
U
T
V
I
N
)
I_{C1}=I_{LOAD}×\sqrt{\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})}
IC1=ILOAD×VINVOUT×(1−VINVOUT) 最坏的情况发生在
V
I
N
=
2
V
O
U
T
V_{IN} = 2V_{OUT}
VIN=2VOUT时,其中
I
C
I
N
=
I
L
O
A
D
/
2
I_{CIN} = I_{LOAD} / 2
ICIN=ILOAD/2。 为了简化,选择输入电容器的RMS电流额定值必须高于最大负载电流的一半。输入电容可以是电解,钽或瓷片电容。当使用电解或钽电容器时,一个小型的高品质陶瓷电容,例如 0.1μF,应当尽可能的靠近芯片。在使用陶瓷电容器时,确保他们有足够的容量,以提供足够电荷,防止过多的输入电压纹波。对于低ESR电容器输入电压纹波可以估算(C1 是输入电容值):
Δ
V
I
N
=
I
L
O
A
D
C
1
×
f
S
W
×
V
O
U
T
V
I
N
×
(
1
−
V
O
U
T
V
I
N
)
ΔV_{IN}= \frac{I_{LOAD}}{C1×f_{SW}}×\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}×(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})
ΔVIN=C1×fSWILOAD×VINVOUT×(1−VINVOUT)
C
O
U
T
C_{OUT}
COUT: MLCC\X7R\钽电容\固态电容并0.1μF的陶瓷电容 (高成本) 电解电容并0.1μF的陶瓷电容+LC滤波(低成本)
输出电容也需要用低 ESR电容来保持低输出纹波电压。输出纹波电压可按下式计算:
V
R
I
P
P
L
E
=
I
O
U
T
M
A
X
K
R
I
P
P
L
E
R
E
S
R
+
V
I
N
28
f
S
W
2
L
C
O
U
T
V_{RIPPLE}=I_{OUTMAX}K_{RIPPLE}R_{ESR}+\frac{V_{IN}}{28f_{SW}^2LC_{OUT}}
VRIPPLE=IOUTMAXKRIPPLERESR+28fSW2LCOUTVIN 式中,
I
O
U
T
M
A
X
I_{OUTMAX}
IOUTMAX是最大输出电流,
K
R
I
P
P
L
E
K_{RIPPLE}
KRIPPLE为纹波系数(一般取0.2~0.4),
R
E
S
R
R_{ESR}
RESR为输出电容的ESR值,
f
S
W
f_{SW}
fSW是开关频率,L是电感值,
C
O
U
T
C_{OUT}
COUT为输出电容值。在使用瓷片电容输出时,
R
E
S
R
R_{ESR}
RESR非常小几乎不产生纹波,因此,瓷片电容的容值可相对低一些。在使用钽电容或电解电容时,
R
E
S
R
R_{ESR}
RESR与纹波电流的乘积影响纹波电压,这时就要选择足够低ESR值的电容。对瓷片输出电容来说一般选择22μF,对钽电容或电解电容来说选择小于50mΩ ESR的电容。 一般来说,一旦电容ESR得到满足,电容就足以满足需求。任何电容器的ESR连同其自身容量将为系统产生一个零点,ESR值越大,零点位于的频率段越低,而陶瓷电容的零点处于一个较高的频率上,通常可以忽略,是一种上佳的选择,但与电解电容相比,大容量、高耐压陶瓷电容会体积较大,成本较高,因此使用0.1uF至1uF的陶瓷电容与低ESR电解电容结合使用是不错的选择。 (另一种算法)输出电压纹波由
Δ
V
O
U
T
C
ΔV_{OUT_C}
ΔVOUTC(电容放电引起)和
Δ
V
O
U
T
E
S
R
ΔV_{OUT_{ESR}}
ΔVOUTESR(电容的ESR引起)组成,计算如下:
Δ
V
O
U
T
C
=
K
R
I
P
P
L
E
×
I
O
U
T
8
×
f
S
W
×
C
O
U
T
ΔV_{OUT_C}=\frac{K_{RIPPLE}×I_{OUT}}{8×f_{SW}×C_{OUT}}
ΔVOUTC=8×fSW×COUTKRIPPLE×IOUT
Δ
V
O
U
T
E
S
R
=
K
R
I
P
P
L
E
×
I
O
U
T
×
R
E
S
R
ΔV_{OUT_{ESR}}=K_{RIPPLE}×I_{OUT}×R_{ESR}
ΔVOUTESR=KRIPPLE×IOUT×RESR
Δ
V
O
U
T
=
Δ
V
O
U
T
C
+
Δ
V
O
U
T
E
S
R
ΔV_{OUT}=ΔV_{OUT_C}+ΔV_{OUT_{ESR}}
ΔVOUT=ΔVOUTC+ΔVOUTESR
V
C
O
U
T
≥
1.5
V
O
U
T
V_{COUT}≥1.5V_{OUT}
VCOUT≥1.5VOUT 输出电容容值及ESR取决于能够允许的最大输出电压纹波和负载电流突变时输出电压的最大偏移量;当负载突增时,转换器需要2至3个时钟周期来对输出电压下降做出反应,在转换器做出反应之前,输出电容需要提供突变的负载电流。 在合适的输出电压下冲需要的最小输出电容容量计算如下:
C
O
U
T
>
3
×
(
I
O
H
−
I
O
L
)
f
S
W
×
V
U
S
C_{OUT}>\frac{3×(I_{OH}-I_{OL})}{f_{SW}×V_{US}}
COUT>fSW×VUS3×(IOH−IOL) 在合适的输出电压过冲需要的最小输出电容容量计算如下:
C
O
U
T
>
I
O
H
2
−
I
O
L
2
(
V
O
U
T
+
V
O
S
)
2
−
V
O
U
T
2
×
L
C_{OUT}>\frac{I_{OH}^2-I_{OL}^2}{(V_{OUT}+V_{OS})^2-V_{OUT}^2}×L
COUT>(VOUT+VOS)2−VOUT2IOH2−IOL2×L
I
O
L
I_{OL}
IOL:负载瞬态电流低值;
I
O
H
I_{OH}
IOH:负载瞬态电流高值;
V
U
S
V_{US}
VUS:输出下冲电压;
V
O
S
V_{OS}
VOS:输出过冲电压。 为提高EMI性能,可加入πLC电路:
分压电阻(输出电压设置)
可根据输出电压来选择两个适当比例的反馈电阻
R
F
B
1
R_{FB1}
RFB1和
R
F
B
2
R_{FB2}
RFB2。在
R
F
B
1
R_{FB1}
RFB1上并联一个电容有助于系统的稳定。通常,
R
F
B
2
≈
10
k
Ω
R_{FB2}≈10kΩ
RFB2≈10kΩ,通过以下方程确定
R
F
B
1
R_{FB1}
RFB1:
V
O
U
T
×
R
F
B
2
R
F
B
1
+
R
F
B
2
=
V
r
e
f
V_{OUT}×\frac{R_{FB2}}{R_{FB1}+R_{FB2}}=V_{ref}
VOUT×RFB1+RFB2RFB2=Vref
→
R
F
B
1
=
R
F
B
2
×
(
V
O
U
T
V
r
e
f
−
1
)
→R_{FB1}=R_{FB2}×(\frac{V_{OUT}}{V_{ref}}-1)
→RFB1=RFB2×(VrefVOUT−1)
V
r
e
f
V_{ref}
Vref为片内运放
V
+
V_+
V+
当K导通时→iL线性增加,D1截止→此时iL和C向负载供电 当iL>
I
O
I_O
IO时,iL向C充电也向负载供电 对于MOS作为开关管的BUCK电路:高边MOS ON(低边MOS OFF):电流方向Vin→L→C→Load。此时Vin是电源,给储能元件充电,并向负载提供电流。
当K关断时→L通过D形成续流回路,iL向C充电也向负载供电→当iL<
I
O
I_O
IO时,L和C同时向负载供电。若iL减小到0,则D关断,只有C向负载供电 对于MOS作为开关管的BUCK电路:低边MOS ON(高边MOS OFF):电流方向L→C→1oad此时切断输入源,由储能元件L和C释放能量,向负载提供电流。
占
空
比
D
=
t
o
n
t
o
n
+
t
o
f
f
=
t
o
n
T
s
占空比 D =\frac{t_{on}}{t_{on}+t_{off}}=\frac{t_{on}}{T_s}
占空比D=ton+toffton=Tston
开
关
频
率
f
s
w
=
1
/
T
s
开关频率 f_{sw}=1/T_s
开关频率fsw=1/Ts
(通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占Ts的比例,D2为K关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例) 此时D1+D2=1. 1式2式相等,可以得到电压增益比
M
=
V
O
V
S
=
D
1
M=\frac{V_O}{V_S}=D1
M=VSVO=D1 由此处可知BUCK电路是一种降压电路,输出小于输入。 CCM模式下,电压增益M就是占空比D1
不连续模式(disconduction mode DCM)
电感电流会降至零
T
<
L
/
R
T
s
T<L/RTs
T<L/RTs,同CCM模式相似,同样可以由1式2式相等,得到
M
=
V
o
/
V
s
=
D
1
/
(
D
1
+
D
2
)
M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)
M=Vo/Vs=D1/(D1+D2),此时
D
1
+
D
2
<
1
D1+D2<1
D1+D2<1 又有
I
O
I_O
IO是iL在Ts内的平均值,即iL等腰三角形面积在Ts时间内的平均值,并且等于
V
O
/
R
V_O/R
VO/R.故有
I
O
=
[
0.5
(
D
1
+
D
2
)
T
s
(
V
s
−
V
o
)
D
1
T
s
/
L
]
/
T
s
=
V
O
/
R
I_O=[0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L]/Ts=V_O/R
IO=[0.5(D1+D2)Ts(Vs−Vo)D1Ts/L]/Ts=VO/R,两式联合可以解得
τ
=
L
R
T
s
τ = \frac{L}{RTs}
τ=RTsL
M
=
V
O
V
S
=
2
1
+
1
+
8
τ
D
1
2
M=\frac{V_O}{V_S}=\frac{2}{1+\sqrt{1+\frac{8τ}{D1^2}}}
M=VSVO=1+1+D128τ2 DCM模式下,电压增益M和占空比D1则呈现非线性关系。
临界导电模式(boundary conduction mode BCM)
临界情况下,M的计算用以上两种模式下任一种都可以,这里就不做分析了。 电流连续与否是由
0.5
Δ
i
L
0.5ΔiL
0.5ΔiL和
I
O
I_O
IO的大小关系决定的,调节占空比D1或负载,有可能使工作模式在CCM和DCM模式之间发生转换。 总体上来看,随着D1的增大M值会增加。
效率
一般而言,BUCK电路的损耗可以分为导通状态下的直流损耗和导通过程中的交流损耗。 其中直流损耗主要是指晶体管T和二极管D在直流导通情况下,自身压降同流过电流的压降 交流损耗则主要集中在开关管T上(不考虑二极管因为其通断时间很短)。通常在并断过程中,T上的电流电压升降是需要时间的,若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损耗最小,,若电流变化结束电压才开始变化,则整个弁断时间最长损耗最大,效率也最低。 经过计算可得:
E
=
1
/
(
P
o
+
P
d
c
+
P
a
c
)
=
V
o
/
(
V
o
+
1
+
K
V
s
I
o
T
n
/
T
s
)
E=1/(Po+Pdc+Pac)=Vo/(Vo+1+KVsIoTn/Ts)
E=1/(Po+Pdc+Pac)=Vo/(Vo+1+KVsIoTn/Ts),K是个变值
如何控制关断BUCK电路
MCU控制
MCU直接控制:
使用三极管控制:
使用MOS管控制: (如2N7002 / Si2302)
机械开关控制
开关电源芯片的重要参数
输入电压
U
I
U_I
UI范围
输出电压
U
O
U_O
UO范围
最大输出电流大小
I
O
I_O
IO
开关频率
f
s
w
f_{sw}
fsw
EN脚和FB脚参考电压
数据手册的获取
立创商城
中国ic网
ALLDATASHEET
厂家官网
常见芯片示例
常用品牌: 美国: TI:TPS5420、TPS5430、TPS5450 MPS:MP2307、MP4560、MP1593、MP1584 ADI 中国台湾:RICHTEK(台湾立锜科技)、矽力杰(SILERGY) 中国大陆:芯龙XLSEMI、圣邦微、南芯(多为晶圆倒装工艺,QFN封装,对普通DIY用户不友好)
非同步整流降压
LM2596
开关管内置:
如上图所示,Vout由R1、R2分压给FB,
V
−
=
V
o
×
R
1
R
1
+
R
2
V_-=Vo×\frac{R1}{R1+R2}
V−=Vo×R1+R2R1,
V
−
=
1.235
V
V_-=1.235V
V−=1.235V,由运放虚短,
V
+
=
V
−
V_+=V_-
V+=V−,则
V
o
×
R
1
R
1
+
R
2
=
1.235
V
Vo×\frac{R1}{R1+R2}=1.235V
Vo×R1+R2R1=1.235V
MP4560
开关管内置:
如上图所示,Vout由R1、R2分压给FB,
V
−
=
V
o
×
R
2
R
1
+
R
2
V_-=Vo×\frac{R2}{R1+R2}
V−=Vo×R1+R2R2,
V
+
=
0.8
V
V_+=0.8V
V+=0.8V,由运放虚短,
V
+
=
V
−
V_+=V_-
V+=V−,则
V
o
×
R
2
R
1
+
R
2
=
0.8
V
Vo×\frac{R2}{R1+R2}=0.8V
Vo×R1+R2R2=0.8V
为了保证IC理想的性能,请按下列内容检查PCB布局: 1)采用晶圆倒装工艺的BUCK芯片例如TI的LMR34215 2)采用Ci集成于内部的芯片。TI某款芯片内部集成两个1nF的Ci 3)排列功器件以减小AC回路面积,包括CIN,VIN脚,SW脚以及肖特基二极管 4)尽可能的将去耦瓷片电容CIN紧挨IN脚和功率地GND(增加通孔或以最宽,最短的路径返回)。Ci靠近芯片Vi和GND引脚,越近越好,如22UF和100nF,小容量的靠近芯片;Co,如22UF和100nF,大容量的靠近芯片,Vo取样点放在远离芯片的那个电容的右侧。 5)FB,COMP和ISET的信号GND返回点以单点连接到功率地可获得最佳抗干扰性能。通过铜箔或一系列通孔连接散热焊盘到功率地。 6)使用铜箔铺功率地可获得最佳的散热和抗干扰性能。背面走线越少越好,最好全部覆铜到GND。 7)紧挨FB脚放置反馈电阻。FB覆盖面积越小越好。走线细而短。 8)以最短的走线连接
B
S
−
C
B
S
−
S
W
BS-C_{BS}-SW
BS−CBS−SW回路。 9)电感采用一体成型屏蔽电感,电感两个引脚间距离尽可能大一些,非一体成型电感最好把GND挖空,一挖到底。还要让敏感电路和回路远离电感。特别是VO到FB的走线,特别要避开电感,二极管特别是不能和电感平行。