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1、降压式开关电源设计 要点 降压电路 - 典型例子 (VIN=12V, VOUT=3.3V, IOUT=15A) C2 2200uF/25V (2pcs.) C1 2200uF/25V (2pcs.) R7 2.2R C12 1500uF/6.3V (2pcs.) L1 1.9 uH U1 SC1104 1 3 2 45 6 7 8 COMP/SS DL GND DHBST PHASE VCC SENSE C13 10uF/25V (2pcs.) VOUT C4 47nF Q2 AOD412 R1 0R R8 5.1R C8 4.7uF R6 2.2K C11 1500uF/6.3V (2pcs
2、.) C5 1nF D1D1N4148 C14 1n R5 1K R10 2.2R R4 1k C9 1uF R3 1.5K C6 1nF C3 1uF VIN C15 4.7uF/25V R9 2.2R D2 D1N4148 Q1 AOD412 C1010uF 功率电路 (粗线) 信号电路 (细线) 降压电路 - 典型例子 (VIN=3.3V, VOUT=1.2V, IOUT=1A) (A) 线性电源 (B) 开关电源 VIN =3.3V, VOUT=1.2V, IOUT=1A PLOSS=(3.3-1.2)x1=2.1W Efficiency=1.2/3.3=36% VIN =3.3V,
3、VOUT=1.2V, IOUT=1A PLOSS=(1-0.85)x3.3=0.5W Efficiency=85% 1. 降压式开关电路初步介绍 - 基 本结构 1. 降压式开关电路初步介绍 - 工 作原理 1. 降压式开关电路初步介绍 - 电 感电流 (A) 当开关在“1”位置时， 电感器 (L) 二端的电压为: 从上式得到电感电流上升斜率: 电感电流的纹波值为: (B) 当开关在“2”位置时， 电感器 (L) 二端的电压为: 电感电流下降斜率为: 电感电流的纹波值为： 降压式 (BUCK) 开关电源输入与 输出电压关系式: 输出电压 = 输入电压 X 占空比 由于占空比永远小于 1 , 所
4、以输出 电压永远小于输入电压 1.降压式开关电路初步介绍 - 占 空比 定义: D 占空比 (01) D 1 - D Ts 开关周期 (uS) Fs 开关频率 (KHz) 1.降压式开关电路初步介绍 - 功 率器件电流波形 波形中可总结这几点： (1) 电感电流 (IL(t) 平均值就是负载电流 (IOUT) (2) 电感电流 (IL(t) 会有一个交流部分 (IL(t) (3) 电感交流电流会流入输出滤波电容 (COUT) (4) 电感电流的峰值 (IL_PEAK) 是 IOUT + IL/2 2. 降压式电路 - 典型要求 (1) 输入电压范围：VIN, VIN_MAX, VIN_MIN
5、(12V) (2) 输出电压：VOUT (3.3V) (3) 输出纹波电压（峰值至峰值）：VOUT (50mV) (4) 满载输出负载电流：IOUT (15A) (5) 电源效率： (90%) 功率器件: (1) 滤波电感 (L) (2) 输出滤波电容 (COUT) (3) 输入滤波电容 (CIN) (4) 功率场效应管 (Q1, Q2) 电感和纹波电流 = 20% 30% 2. 降压式电路 - 电感设计 (1) VIN = 12V，VOUT = 3.3V，IOUT = 15A， = 33%， fS = 300KHz，计算出来的电感值是 1.6H。 电感峰值电流为 17.5A 2. 降压式电路
6、 - 电感设计 (2) (1) 电感磁芯材料：对于频率高于350KHz 高效率开关电源应用，应选 用铁氧体，Kool-Mu等合金材料的磁芯。低成本Powder 铁磁芯一般可 在开关频率低于350KHz的电源中应用。但其磁芯损耗在350KHz时会 比较大。 (2) 选择电感值：有时计算出来的电感值无法找到现货供应。这时设计 者可以选择临近或稍大一点 电感值的标准电感。图1电源选择了一个 在额定输出电流下电感值为1.9H标准电感。通常电感值会随温度和 电流的变化而不同。一旦电感值确定，应该马上重新估计该电感的实 际纹波电流。 (3) 电感饱和电流值：一般情况下，所选用的电感饱和电流的最小值应 为电
7、感峰值电流的1.25 - 1.5倍。图1电源电感峰值电流为17.5A (15 + 15/6)，因此所选用的电感需有22 - 26A的饱和电流值。 Pulse 标准电感器 PG0077.202 参数 Pulse 型号 (Part Number)PG0077.202 额定电流 (IRATED) 时电感值 1.9 H 额定电流 (IRATED) 21 A 绕线电阻最大值 (DCRMAX) 2.9 m 零工作电流时电感值 2.0 H 饱和电流 (ISAT) 24 A 发热电流 (Heating Current) 21 A 磁芯损耗指数 (K1) 13.77E-9 磁芯损耗指数 (K2) 62.7 2.
8、 降压式电路 - 电感设计 (3) 输出纹波电压 ( VOUT) 是 VCOUT， VESR，VESL 这三项的矢量和 VCOUT 是由电感纹波电流在 COUT 上 所产生的纹波电压 VESR是在 ESR 上所产生的纹波电压 VESL是在 ESL 上所产生的纹波电压 3. 降压式电路 - 输出电容设计 (1) 铝质电容器 (比如电解，固态 OS-CON，POSCAP) 都有较高的电容值和 相对较低工作开关频率 (10 电容ESRESL 10uF/10V 瓷片4 m1.25nH 100uF/10V 钽46 m3nH 470uF/10V 电解100 m15nH 5. 降压式电路 - 高频输出电容特
9、 性 (2) Cap #1 1uF/10V Y5V 1206 Cap #2 1uF/10V X7R 1206 - 性能差别太大 5. 降压式电路 - 高频输出电容特 性 (3) -Y5V 电容值随工作电压而变化大 -Y5V ESR值随工作电压而变化大 -Y5V 电容值随温度而变化大 -X7R 电容值ESR值随工作电压变化小 5. 降压式电路 - 高频输出电容特 性 (4) Cap #1 10uF/10V Y5V 1206 Cap #2 1uF/10V X7R 1206 - 性能较接近 5. 降压式电路 - 高频输出电容特 性 (5) Cap #1 10uF/10V Y5V 1206 Cap #
10、2 1uF/10V X7R 1206 5. 降压式电路 - 高频输出电容特 性 (6) (1) 四颗1500F，80m EEVFK0J152P 电解电容 (2) 并联后电容值是6000 F，ESR 是 20 m (3) 电感纹波电流 (IL) 为 4.2A，输出纹波电压 84 mV (80 4.2/4) (4) 能不能并联一个或多个瓷片电容来减小输出电压纹波值？ 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (1) 运用直流电路分析方式： PSPICE AC模拟 (图A) 瞬态模拟 (图 B) 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (2) 不能将输出电容的阻抗简单地 转换成 ESR 来进行
11、电路分析 C1和 C2 的阻抗为： 并联后的 CEQ 和 REQ 为: 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (3) 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (4) 当 C1 = C2 和 R1 = R2，CEQ 和 REQ 才与频率无关。此时： 如有 n 颗同一电容并联, 并联后的 CEQ 和 REQ 为: 重新分析由四颗 1500F 电解电容和一颗 1F瓷片电容所组成的输出滤 波电路: 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (5) 计算和模拟结果 fS 300KHz1颗 1F1颗 10F2颗 10F3颗 10F ZC120 m20 m20 m20 m ZC2530 m53
12、m27 m18 m IC14.05 A3.05 A2.41 A2.00 A IC20.15 A1.15 A1.79 A2.20 A VOUT 81 mV61 mV48 mV40 mV VOUT (PSPICE 模拟) 83 mV63 mV50 mV42 mV 当输出瓷片电容由一颗增加到三颗，输出纹波电压值 (VOUT) 被稳稳地 控制在 50 mV 以下。通过公式计算出来的VOUT 为 40 mV，而通过 PSPICE 模拟计算出来的VOUT 是 42 mV。 6. 降压式电路 - 输出滤波电容电路分析 (6) (A) 四颗 1500 F 电解和一颗 10F 瓷片并联 (B) 四颗 1500 F 电解和二颗 10F 瓷片并联 (C) 四颗1500 F 电解和三颗10F 瓷片并联 PSPICE 模拟电路图 Thank You 降压式开关电源设计要点