输出电压依然课件

功率转换概述功率转换概述线性稳压器、开关稳压器和电荷泵线性稳压器、开关稳压器和电荷泵PinVinIinPoutVoIo这里越来越热了！这里越来越热了！转换过程产生热量转换过程产生热量PlossPinPo,这部分损耗对系统的正常这部分损耗对系统的正常工作没有任何贡献，唯一的作用就是缩短待机时间工作没有任何贡献，唯一的作用就是缩短待机时间=Pout/Pin 称为效率称为效率功率转换功率转换 基础知识基础知识输入电压Vin对手持设备来说就是电池供电电压锂电：34.2V输出电压：2.85V,2.8V,2.5V1.8V,1.5V并有继续下降的趋势功 率 器 件 预 备 知 识MOSFET三个工作区截止工作区栅源电压Vgs低于开通阈值时MOSFET处于截止状态，电流为零，不产生功耗线性工作区 Vgs高于开启电压时，随着Vgs电压升高，导通电阻也在减小。导通电阻受栅源电压控制，因此漏源电压VdsId*Rdson也受栅源电压控制饱和工作区 Vgs增大到某个值以上，导通电阻达到最小值，再增加Vgs,导通电阻不会发生变化导通电阻Rdson与栅源电压Vgs关系功率转换存在两种选择 线性线性线性线性方式：方式：效率低效率低 噪声小噪声小 小或低电流时可以接受小或低电流时可以接受只能降压只能降压功率器件工作在线性工作区功率器件工作在线性工作区电压和电流同时具有较大值，功耗电压和电流同时具有较大值，功耗较大较大调整速度快，可以获得极快的动态调整速度快，可以获得极快的动态响应时间响应时间 开关开关开关开关方式：方式：效率高效率高要求一个储能元件要求一个储能元件电感或电容电感或电容 存在噪声和存在噪声和EMI问题问题输入输出压差大时是理想的选择输入输出压差大时是理想的选择 可对输入电平可对输入电平 升压升压/降压降压/反向反向功率器件工作在开关状态功率器件工作在开关状态截止时电流为零，没有损耗，导通截止时电流为零，没有损耗，导通时由于导通电阻很小，因此电压几乎时由于导通电阻很小，因此电压几乎为零，也不会产生损耗为零，也不会产生损耗VoutCoutCflyVbatVbatCONTROL线性降压 LDO开关降压Buck电荷泵Charge P线性稳压器线性稳压器线性稳压器的作用相当于一个可控制的可变电阻，通过改变与负载之间的电阻比例来调整输出电压，使输出电压保持稳定R1相当于MOSFET的导通电阻Rdson，可以由栅源驱动电压来控制，对三极管来说是控制基极电流输入和输出电容用于改善稳定性和瞬态响应性能1.8VVout3.6V100 mA100mA功率元件工作在线性区：1。功率器件两端电压和流过的电流同时存在，功耗较大2。动态响应速度快线性稳压器特性线性稳压器特性输出电压调整元件相当于可变电阻输出电压调整元件相当于可变电阻可以为三极管或可以为三极管或MOSFET反馈电路控制功率元件中的偏置电压或偏置电流来控制调整管两端的电压来保证输出电压恒定IinI线性稳压器分类低压差线性稳压REFGAINVOUTVINMin(VIN-VO)2VIBREFGAINMin(VIN-VO)0.5VVINVOUT一般的线性稳压器主要区别是最小压差，为了保持输出电压稳定输入和输出电压之间必须有一定的压差来保证调整器件正常的工作低压差稳压器的最小压差较小，一般小于0.5V,用于手持设备的典型值为150mV开 关 稳 压（电感型）降 压升 压采用的元件类似，放置方法不同 基本降压转换器基本降压转换器 BUCK输出总是小于或等于输入输出总是小于或等于输入输入电流不连续（斩波）输入电流不连续（斩波）输出电流平滑输出电流平滑控制功率流脉冲宽度调制 PWM占空比VinV 对输入脉冲对输入脉冲电压电压进行平均滤波进行平均滤波 电感是平均元件电感是平均元件 电容提供附加滤波和瞬态响应电容提供附加滤波和瞬态响应对脉冲串进行滤波对脉冲串进行滤波PWM 脉冲的产生FRampV2(t)锯齿波误差比较器输出开关控制信号“典型的典型的”开关模式架构开关模式架构电压模式电压模式 PWMVrefVoutVfbVramp线性输出的误差信号线性输出的误差信号 K1*(Vref-K2*Vout)TT可变占空比，固定频率可变占空比，固定频率(又叫又叫“PWM”)开关驱动信号开关驱动信号反馈电压反馈电压Vfb从从 Vout 分压器引出分压器引出线性误差放大器输出与线性误差放大器输出与(Vref Vfb)成正比成正比固定频率锯齿波与误差信号比较固定频率锯齿波与误差信号比较比较器输出是固定频率、可变脉冲宽度信号，用于驱动功率开关比较器输出是固定频率、可变脉冲宽度信号，用于驱动功率开关实际实际MOSFET MOSFET 开关开关 CGS:Gate to Source CapacitanceCGD:Gate to Drain,or“Miller”capacitanceCDS:Drain to Source,or“Coss”capacitanceRGi:Internal Series Gate ResistanceVT:Gate Threshold VoltageLS:Source InductanceLD:Drain inductanceRDS(on):Drain to Source RTurn-On Characteristics:Step 1Turn-On Characteristics:Step 1Step 1.Charge CGS to the threshold Step 2.Charge CGS from VTH to VGS,MINrequired to carry ID.(linear region)Turn-On Characteristics:Step 2Turn-On Characteristics:Step 2OUCH!OUCH!Note:The Switch voltage cannot change Note:The Switch voltage cannot change until the output diode is turned offuntil the output diode is turned Step 3.Discharge CGD and CDSas VDS falls close to GND.Turn-On Characteristics:Step 3Turn-On Characteristics:Step 3OUCH AGAIN!OUCH AGAIN!Step 4.Apply overdrive by charging CISS to the final gate voltage.功耗由导通电阻决定Ploss=Id*2*RdsonTurn-On Characteristics:Step 4Turn-On Characteristics:Step MOSFET损耗损耗由4部分组成：开关损耗，与开关频率成正比导通损耗，与MOSFET导通电阻和负载电流有关，负载已知时为固定值l重载时，导通损耗所占比重较大，效率主要由导通损耗决定l轻载时，导通损耗很小，开关损耗所占比重较大，效率主要由开关损耗决定 ，因为手机大部分时间都处在待机状态负载较轻，因此轻载时的转换效率对系统待机时间影响很大。l如何提高轻载时的转换效率是电源管理非常重要的内容在在PWM(脉冲宽度调制）中脉冲宽度调制）中，开关频率恒定。占空比取决于脉冲宽度，开关频率恒定。占空比取决于脉冲宽度(ton)。NCP1508/09/10/11/20，NCP1402在在PFM(脉冲频率调制）中脉冲频率调制）中，脉冲宽度脉冲宽度(ton)恒定。恒定。toff 随着负载和输入电随着负载和输入电压变化而改变。所以，开关周期不恒定。它是压变化而改变。所以，开关周期不恒定。它是ton 和和 toff的和。轻载时可以的和。轻载时可以降低开关频率，提高转换效率降低开关频率，提高转换效率NCP1403/NCP1406/NCP5006/NCP5007脉冲方式脉冲方式Pulse，PFM模式结合突波模式。即在轻负载下，一些开关周期模式结合突波模式。即在轻负载下，一些开关周期被忽略，来进一步减小开关次数。被忽略，来进一步减小开关次数。NCP1508/09/10/11/20各种脉冲控制方法各种脉冲控制方法Switch开关开关Vripple纹波纹波PFM 模式电压控制 PWMVerrorVerrorV2FRampV2(t)Fixed&Well Known Ripple FrequencyNoise Easy to controlHigh Quiescent Current(oscillator)电流控制 PWMV2(t)FPulseVerrorISenseV2Fixed&Well Known Ripple FrequencyNoise Easy to controlHigh Quiescent Current(oscillator)Bit Easier To SPFM模式开或关定时开通时间固定，关断时间由误差比较器决定，如NCP1410，NCP1421或关断时间固定，开通时间由比较器决定如NCP5006，NCPPulse模式PWM,PFM，Pulse 用在哪里用在哪里?为什么为什么?PWM一般应用一般应用 占空比范围大占空比范围大频率敏感系统，如电信频率敏感系统，如电信/无线无线开关频率固定。不会干开关频率固定。不会干扰系统信号。扰系统信号。PWM信号也可以和主系统时钟同步信号也可以和主系统时钟同步PFM，Pulse便携式设备便携式设备在低占空比在低占空比/低频时可以降低静态电流和低频时可以降低静态电流和开关损耗。开关损耗。不同控制方法效率对比PULSE模式是转换效率最高的控制方式，轻载时比LDO效率还要高输出电压纹波也响应的会增大BUCK 降压VIn+-+-+VLV1IoIcVout VInTonToffIsIdILICISIDILICVoutVoutIL MOY =IOFVo=DVINIL=IC=DVINVoFLVOUT=D(VIN VOUT)8F2LC+RCDVINFLV1功率器件工作在开关状态，器件两端的电压和其中的电流不会同时存在，器件功耗小，因此效率高升压升压把输入把输入升压升压到一个更高的电压。到一个更高的电压。与降压类似，但是电感、开关和二极管重新安排。与降压类似，但是电感、开关和二极管重新安排。输出总是大于或等于输入输出总是大于或等于输入（忽略二极管的正向压降）。忽略二极管的正向压降）。输入电流平滑。输入电流平滑。输出电流不连续（斩波）。输出电流不连续（斩波）。负载负载同步整流同步整流二极管可以由开关替代，以控制电流和提高效率二极管可以由开关替代，以控制电流和提高效率NCP1410250mA Boost 升压转换器升压转换器控制控制逻辑逻辑NCP15XXTrue Cutoff关断时电流通路NCP1411250mA,Sync-Rect,PFM,Step-Up DC-DC Converter with Low-Battery Detector and Ring KillerRing Killer Improves EMI in Discontinuous Conduction ModeNormal DC-DCNCP1411The MAX1676 has a similar function but requires:an additional external resistora larger 10-pin packageEffect of Ring Killer CVbatVoutCONTROL控制控制VoutCoutCflyCoutVbatVbatCONTROL控制控制基于电感的升压转换器基于电感的升压转换器基于开关电容的升压转换器基于开关电容的升压转换器 电容可以用来存储能量电容可以用来存储能量!基于电荷泵的功率转换基于电荷泵的功率转换CLOCK时钟时钟CoutVoutVbatS1S2S4S3U1CflyVout=Vbat+Vcfly基