DCDC降压电路学习记录

2023-11-05

一.输出建立过程分析

BUCK电路的基本原理就不说了,首先来分析一个BUCK电路它到输出电压稳定这个过程是如何建立起来的。

假设输入电压15V输出电压5V,达到稳态时的电流为3A。它的基本电路如图所示
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当输入端上电,控制电路就工作起来,MOS管开始工作;当需要5V,3A输出时,稳态时PWM的占空比为0.3,但是刚开始时PWM占空比是从0开始,通过若干个pwm周期加到0.3的,完成一个软启动,这样不会对整个系统造成大的冲击电流,PWM波形如下图所示。
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同时输出电流和输出电压也是一个缓慢变化过程,如下图所示
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电感电流波形如下图所示
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图a
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图b
图a中电感电流上升斜率大于下降斜率,电感电流由断续模式慢慢过渡到连续模式。
开始时候占空比很小,充电阶段电感电流以VIN/L的斜率上升,由于充电时间很短,∆I很小。放电阶段电感电流以(Vo+VD)/L斜率下降,VD是二极管导通压降,由于Vo开始很小,电感电流缓慢下降toff的时间。
当占空比增大到一定程度,电感电流上升斜率不变且时间加长,电感电流下降斜率(Vo+VD)/L逐渐加大,电感电流会波动上升,直到VIN*ton=(Vo+VD)*toff时,电感电流稳定,其平均值等于负载电流。图b显示了电感经历了几次平均电流跃迁后,逐渐达到负载电流,这是TPS5454芯片的一个仿真波形,电感电流不是一下子达标的,而是稳定之后跃升再稳定再跃升。

二.稳态过程分析

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假设输入电压15V,输出电压5V,当忽略二极管两端的压降时,电感电流CCM模式下,PWM占空比应该是0.3;

电容:
在这样的一个稳态过程下,输出电容上的电压是稳定不变的,可以等效看成它是没有电流流过的,只起一个稳压作用:当开关管导通,输入电压一部分给电感充电,另外一部分维持负载电流;当开关管关断,电感续流为负载供电。

电感:
电感电流在一个开关周期内电流上升量等于下降量,满足∆Ionton=∆Iofftoff,即Von/Lton=Voff/Ltoff。每个周期都是如此,电感中的电流一直保持动态稳定,且电感电流的几何中心就是负载电流;负载电流越大,电感平均电流越大,电感电流就会在一个更高的电流平台上升和下降,∆I是不变的。∆I由f、D、L决定(f是pwm频率、D是pwm占空比
L是电感值)。当f翻倍,D、L不变,∆I减半;L变为两倍,f、D不变,∆I减半。

MOS管:
MOS管导通时,ton的时间流过的电流于电感电流相等;MOS管关断后,承受VIN端电压(忽略二极管电压),所以MOS管承受的平均电流为IL*D。

二极管
在开关管导通时,二极管反向承受输入电压;开关管关断时,二极管导通为电感续流,所以二极管中流过的平均电流为IL*(1-D)。
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如上图所示,从上到下依次为MOS管驱动,电感电流,输出电容电流,二极管电流;可以看到开关管导通时,电感电流、输出电容电流上升,二极管关断;开关管关断时,电感通过电容、二极管续流。

三.DCDC降压芯片功能描述

了解了BUCK的暂态建立和稳态情况,就可以对相关元器件进行选型设计了。选型之前,先要了解一下DCDC降压芯片的一些基本功能,对我们的设计有很大帮助。

3.1过流保护功能
逐周期限流模式:包括谷值电流限制、峰值电流限制,每一个PWM周期里面,分别对电感电流上升和下降阶段的电流进行检测,当检测电流高于设定阈值时,让MOS管关断。

优点:能够及时进行电流限制;缺点:当电路严重过流时,输出电流会维持在限流阈值上下,会产生较大损耗

打嗝模式:可以解决逐周期过流保护损耗大的不足,打嗝模式可以定时开启保护检测,当出现过流时,等待一段时间再检测是否过流,不让芯片每个PWM周期都监测,减小损耗。

3.2芯片的使能回滞引脚

降压芯片内部都有一个启动和关断电压,比如4.3V开通,3.1V关断。
通过外接电阻将VIN分压到EN脚。,可以自己设定一个开启关断电压。
(通过外接电阻的分压,使得EN脚电压等于1.2V,此时启动电压为:R2VIN/(R1+R2)+i1R2,自主设定了一个启动电压(高于4.3V),比如是10V,启动之后芯片内部会产生一个电流ihsy,EN脚电压升高到: R2VIN/(R1+R2)+i1R2+ihsy*R2,此时停止电压要低于10V才能停。)这样的回滞电压能够防止芯片欠压保护后的二次启动。

3.3芯片软启动
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如图,上面芯片的软启动时间为1024个PWM周期,使能脚电压过低、温度保护、电流保护动作都会使得软启动复位。

3.4芯片开关频率的配置
可以选择电阻大小来配置开关频率

3.5轻载情况下的ECO模式
在空载或轻载模式下,芯片会跳掉一部分PWM,减小损耗;

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轻载模式下的PWM波形如图所示,振荡是由电感与MOS管的ds间寄生电容产生的,振荡的中心就是输出电压大小。

待续。。。

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