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1、DC-DCDC-DC电电源根底知源根底知源根底知源根底知识识 目录目录 1 1、DC-DCDC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 2 2、DC-DCDC-DC电源典型电路分析电源典型电路分析 3 3、PWMPWM控制原理控制原理 4 4、关键器件选择、关键器件选择 5 5、DC-DCDC-DC电源电源PCBPCB规划规划 DC-DC DC-DC电源是一类直流转换为直流的电源。电源是一类直流转换为直流的电源。运用：运用： 数字电路、电子通讯设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷数字电路、电子通讯设备、卫星导航、遥感遥测、地面雷达、消防、设备和医疗器械教学设备等诸多领域。达、消防、设备和医疗器械
2、教学设备等诸多领域。优点：优点： 功耗小、效率高、体积小、分量轻、可靠性高、本身抗干功耗小、效率高、体积小、分量轻、可靠性高、本身抗干 扰性强、输出电压范围宽、模块化。扰性强、输出电压范围宽、模块化。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理3.3V-1.5V12V-3.3V3.3V-1.1V DC-DC DC-DC电源可分源可分为三大三大类： Buck converter( Buck converter(降降压型型) ) Boost converter( Boost converter(升升压型型) ) Buck-
3、boost converter( Buck-boost converter(降降压升升压型型) ) DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理1.1 Buck converter降压型降压型Vo=Vin*D Vo=Vin*D D1D1，VoVinVoVin DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 降压变换器原理图降压变换器原理图LC输出滤波续流二极管(1)(1)开关衔接开关衔接当开关处于衔接外形时，电感电流为：当开关处于衔接外形时，电感电流为： 电感两端的电压为电感两端的电压为Vi-VoVi-Vo，此时电感由电压，此时电感由电压Vi-VoVi-Vo励磁，电感
4、添加的磁通为：励磁，电感添加的磁通为：Vi-VoVi-Vo*Ton*Ton。此期间，电感存储能量，同时电路对电容充电和给负载供电。此期间，电感存储能量，同时电路对电容充电和给负载供电。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理2 2开关断开开关断开当开关处于断开外形时，电感电流为当开关处于断开外形时，电感电流为当开关处于断开期间，由于输出电流的延续，二极管当开关处于断开期间，由于输出电流的延续，二极管VDVD变为导通，电感削磁，电感减少的磁变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：通为：VoVo*Toff*Toff。存储在电感和电容里的能量释放出来给负载，经过续流二极管构成回路。
5、存储在电感和电容里的能量释放出来给负载，经过续流二极管构成回路。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 当开封锁合与开关断开的外形到达平衡时，Vi-Vo*Ton=Vo*Toff，由于占空比DVo，实现降压功能。1.2 Boost converter升压型升压型) DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 升压变换器原理图升压变换器原理图Vo=Vin/(1-D) DVin升压电感滤波电容1 1开关衔接开关衔接当开关处于衔接外形时，经过电感的电流为：当开关处于衔接外形时，经过电感的电流为：当开封锁合
6、时，输入电压加在电感上，此时电感由电压当开封锁合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压ViVi励磁，电感添加的磁通为：励磁，电感添加的磁通为：ViVi*Ton*Ton。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理2 2开关断开开关断开当开关处于断开外形时，经过电感的电流为：当开关处于断开外形时，经过电感的电流为：当开关断开时，由于输出电流的延续，二极管当开关断开时，由于输出电流的延续，二极管VDVD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：Vo- ViVo- Vi*Toff*Toff。当开关处于断开期间，存储在电感的能量释放到输出端，同时电源端
7、的电压也加到输出端，当开关处于断开期间，存储在电感的能量释放到输出端，同时电源端的电压也加到输出端，即为即为Vo=Vi+VLVo=Vi+VL DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 当开封锁合与开关断开的外形到达平衡时，Vi*Ton=Vo- Vi*Toff，由于占空比D1，所以ViVo，实现升压功能。1.3 Buck-boost converter降压升压型降压升压型Vo=Vin*D/(1-D)Vo=Vin*D/(1-D)VoVin,VoVin,当当D0.5DVin,VoVin,当当D0.5D0.5 DC-DC D
8、C-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理升降压变换器原理图升降压变换器原理图1 1开关衔接开关衔接当开关处于衔接外形时，经过电感的电流为：当开关处于衔接外形时，经过电感的电流为：改换当开封锁合时，此时电感由电压改换当开封锁合时，此时电感由电压ViVi励磁，电感添加的磁通为：励磁，电感添加的磁通为：ViVi*Ton*Ton。当开关处于衔接期间，电源输出的能量存储在电感当中，同时已充电的电容给负载供电，负载电压当开关处于衔接期间，电源输出的能量存储在电感当中，同时已充电的电容给负载供电，负载电压极性与电源电压相反。极性与电源电压相反。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理
9、2 2开关断开开关断开当开关处于断开外形时，经过电感的电流为：当开关处于断开外形时，经过电感的电流为：当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：VoVo*Toff*Toff。当开关处于断开期间，存储在电感中的能量释放出来，传送给负载和电容，此时负载电压极当开关处于断开期间，存储在电感中的能量释放出来，传送给负载和电容，此时负载电压极性与电源极性相反。性与电源极性相反。 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 DC-DC DC-DC电源分类及义务原理电源分类及义务原理 当开封锁合与开关断开的外形到达平衡时，添加的磁通等于减少的磁通，V
10、i*Ton=Vo*Toff，根据Ton比Toff值不同，可以ViVo。典型电路分析典型电路分析非非MOSMOS开关管集成的开关管集成的RT8105RT8105TITI公司公司TPS54627TPS54627TITI公司公司TPS54329TPS54329SY8032E设计时常用的电源芯片G9661G9661典型电路分析典型电路分析以电源芯片以电源芯片TPS54329TPS54329为例为例芯片内部原理框图芯片内部原理框图4.5V至18V输入, 3A同步降压；输出电压范围：0.76V-7.0V；可调理软启动时间、过电流维护、低电压锁定维护、热关断维护；8管脚封装，底部中间有地；软启动控制软启动时
11、间经过分压电阻获取反响电压欠压欠压锁定锁定维护维护确保高侧确保高侧FETFET良好导通良好导通典型电路分析典型电路分析芯片运用的原理图芯片运用的原理图 直流增益是由输出电压决议，所需的电感值将随着输出电压直流增益是由输出电压决议，所需的电感值将随着输出电压的添加而添加。对于等于或高于的添加而添加。对于等于或高于1.8 V1.8 V的输出电压，经过添加一个的输出电压，经过添加一个前馈电容前馈电容C4C4与与R1R1并联可将相位提高。并联可将相位提高。 PWM PWM控制原理控制原理 开关电源利用对输入电压进展脉冲调制可实现自动稳压。脉冲调制方式主要分为：PFMPulse Frequency Mo
12、dulation：脉冲频率调制 【特点：对于外围电路一样，在峰值效率以前，其效率远比PWM的高，且呼应速度较快；但不易实现，通常被运用于DC-DC转换器来提高轻负载效率】；PWMPulse Width Modulation：脉冲宽度调制【特点：在重载时效率高、噪音低且较于PFM易于实现，成为目前主流技术】；义务在节电方式下的转换器在轻负载电流条件下运用PFM方式， 在较重负载电流条件下运用脉冲宽度调制(PWM)方式。 PWM开关稳压器根本义务原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路经过被控制信号与基准信号的差值进展闭环反响，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关
13、电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 PWM控制方式：电压控制方式、电流控制方式1电压控制方式：利用输出电压作为反响控制信号，占空比正比于实践输出电压与理想输出电压之间的误差差值。2电流控制方式：同时采用电流和负载电压作为控制信号，占空比正比于额定输出电压与变换器控制电流函数之间的误差差值。 PWM PWM控制原理控制原理3.1 3.1 典型的电压控制方式典型的电压控制方式 控制回路包括由控制回路包括由R1和和RB组组成的成的电电阻分阻分压压器、器、电压误电压误差放大器、差放大器、PWM比比较较器器(又称又称 PWM调调制器制器)以及功率管以及功率管驱动电驱动电路等模路等模块块。图图中中Vr
14、ef是由是由带带隙基准源提供的基准隙基准源提供的基准电电 压压，斜坡振，斜坡振荡荡器提供斜坡器提供斜坡输输入信号入信号Vramp，它的，它的频频率等于开关率等于开关频频率。率。uGuGVctVrampVramp PWM PWM控制原理控制原理 稳压过程1当输出电压U0增大时，取样电压UNI会同时增大，可简述为：2当输出电压U0减小时，取样电压UNI会同时减小，可简述为： Uo UNI Uct UG的 dt Uo Uo UNI Uct UG的 dt Uo PWM PWM控制原理控制原理优点：点：1 1PWMPWM三角波幅三角波幅值较大，脉冲大，脉冲宽度度调理理时具有具有较好的抗噪声裕量；好的抗噪
15、声裕量； 2 2占空比占空比调理不受限制；理不受限制； 3 3对输出出负载的的变化有化有较好的呼好的呼应调理；理；缺陷：缺陷：1 1对输入入电压与与负载电流的流的变化化动态呼呼应比比较慢：由于系慢：由于系统为呼呼应负载电流或流或输入入电源的源的变化，必需化，必需“等待等待负载电压的相的相应变化，由此引起控制化，由此引起控制信号信号VerrVerr的的变化后，才干化后，才干实现对占空比占空比d d的的调理。通常理。通常这种等待或延种等待或延迟会影响系会影响系统的的稳压特性。特性。 2 2输出出LCLC滤波器波器给控制控制环添加了双极点，在添加了双极点，在补偿设计误差放大器差放大器时，需求将主极点
16、低，需求将主极点低频衰减，或者添加一个零点衰减，或者添加一个零点进展展补偿。 PWM PWM控制原理控制原理3.2 3.2 典型的电流控制方式典型的电流控制方式采用采用电流方式控制可以消除流方式控制可以消除电压控制方式的控制方式的“等待等待问题。峰值电流控制方式峰值电流控制方式PWMPWM开关电源系统开关电源系统 PWM PWM控制原理控制原理 电电路中的振路中的振荡荡器器产产生生频频率率为为fs的的线线性斜坡信号和性斜坡信号和频频率率fs同步送出正窄脉冲信同步送出正窄脉冲信号；此外，号；此外，电电路中路中还还增增设设了了检测电检测电感感电电流信号的流信号的电电流流检测电检测电阻阻RS、电电流
17、流检测检测放大器放大器和和RS触触发发器。器。RS和和电电流流检测检测放大器用于放大器用于产产生正比于生正比于电电感感电电流瞬流瞬时值时值的的电压电压Vsens，RS触触发发器用于器用于实现实现根据根据电电感感电电流瞬流瞬时值时值的大小控制功率管截止的的大小控制功率管截止的时时辰。由辰。由误误差放大器差放大器对对基准基准电压电压Vref和和负载电压负载电压分量分量Vo(Rb/(Ri+Rb)之之间间的差的差值进值进展放大，得到控制信号展放大，得到控制信号VC。由于在一个开关周期由于在一个开关周期时间时间内，内，负载电压负载电压的的变变化量很小，可近似以化量很小，可近似以为为在同一个开关周在同一个
18、开关周期期时间时间内内Vc值值不不变变，以，以Vc表示。表示。Vc被送到被送到PWM比比较较器的反相器的反相输输入端入端:而送至而送至PWM比比较较器器的同相的同相输输入端的，那么是由入端的，那么是由Vsens和斜坡和斜坡补偿补偿信号信号Vramp相加后得到合成信号相加后得到合成信号(Vsens+Vramp)。 PWM PWM控制原理控制原理 PWM PWM控制原理控制原理电流控制电流控制PWMPWM的优点：的优点：1 1暂态闭环呼应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态呼应均快；暂态闭环呼应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态呼应均快；2 2瞬时峰值电流限流功能；瞬时峰值电流限
19、流功能；3 3输出电压的调整可与电压方式控制的输入电压前馈技术相媲美。输出电压的调整可与电压方式控制的输入电压前馈技术相媲美。缺陷：缺陷：1 1占空比大于占空比大于50%50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；2 2容易发生次谐波振荡。容易发生次谐波振荡。关键器件选择关键器件选择 电感Q值：也叫电感的质量要素，是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频率的交流电压下义务时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。Q值过大，引起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。4.1 4.1 输出出电感
20、感 作用作用 可以将可以将电能能转化化为磁能而存磁能而存储起来。由起来。由于于电感感电流不可突流不可突变从而从而维持整个开关周期持整个开关周期电流的流的继续输出。出。较大的大的电感提供感提供较低的峰低的峰值电流和流和较低的低的损耗，可以提高效率，耗，可以提高效率，还可以减可以减 小小纹波波电流和流和纹波波电压；较小的小的电感通常感通常带来来较低的效率，但是由于其低的效率，但是由于其电流有更快速流有更快速变化的才化的才干，在干，在负载变化化时可以提供更快速的呼可以提供更快速的呼应。感感值选择电感的大小可以根据感的大小可以根据纹波波电流流计算得到：算得到：ILIL取取负载电流的流的30%30%左右
21、左右饱和和电流流电感感饱和和电流普通流普通为电感峰感峰值电流的流的1.251.51.251.5倍倍, ,假假设小于小于电路的峰路的峰值电流流, ,那么那么电感量就会感量就会变小，达不到小，达不到滤波效果。波效果。 关键器件选择关键器件选择4.2 4.2 分压电阻分压电阻作用作用输出电压经过输出电压经过R1R1和和R2R2组成分压网络反响给控制电路，控制组成分压网络反响给控制电路，控制PWMPWM占空比，从而控制开关管的占空比，从而控制开关管的导通和截止，到达稳定输出电压的目的。所以分压电阻很重要的作用是设置导通和截止，到达稳定输出电压的目的。所以分压电阻很重要的作用是设置BuckBuck电路的
22、电路的输出电压值。计算公式如下：输出电压值。计算公式如下：精度选择精度选择为确保电路的高准确度，分压电阻普通选用精度为为确保电路的高准确度，分压电阻普通选用精度为1%1%。关键器件选择关键器件选择4.3 4.3 输入电容输入电容电容特性电容特性右图为实践的电容模型。右图为实践的电容模型。故其实践阻抗为：故其实践阻抗为：当频率较低时，可忽略当频率较低时，可忽略jwL,jwL,电容呈容性；电容呈容性；当频率较高时，可忽略当频率较高时，可忽略1/jwC,1/jwC,电容呈感性；电容呈感性；当当jwL+1/jwL=0jwL+1/jwL=0时，电容呈电阻特性，此时阻抗最小，对应的频率为自然谐振频率时，电
23、容呈电阻特性，此时阻抗最小，对应的频率为自然谐振频率f0f0。大容值的电容通常具有较大的等效电感，因此其自谐振频率较小，所以比较适宜用于滤大容值的电容通常具有较大的等效电感，因此其自谐振频率较小，所以比较适宜用于滤除低频干扰噪声；小容值的电容通常等效电感也较小，因此自谐振频率较大，所以适宜除低频干扰噪声；小容值的电容通常等效电感也较小，因此自谐振频率较大，所以适宜用于滤除高频干扰噪声。利用不同电容组合并联的方式，可以起到很好的滤波效果。用于滤除高频干扰噪声。利用不同电容组合并联的方式，可以起到很好的滤波效果。关键器件选择关键器件选择输入入电容的作用容的作用输入入电容的作用是容的作用是坚持持输入
24、入电压稳定在一定的范定在一定的范围内，并且内，并且滤除除输入直流入直流电压中中的交流成分。的交流成分。如右以以以下如右以以以下图，C1C1电容起到容起到储能作用，当能作用，当逻辑器件外形器件外形变化化时提供一个瞬提供一个瞬态电流，减小流，减小电源瞬源瞬变及跌落，及跌落，坚持持电源完好性。普通源完好性。普通为铝电解解电容。容。C2C2、C3C3是是滤波波电容。容。电容可以容可以“通交流、阻直流，通交流、阻直流，输入信号中的交流成分可以入信号中的交流成分可以经过电容排到大地，剩下容排到大地，剩下纯真的直流成分。其中大真的直流成分。其中大电容容滤除低除低频成分、小成分、小电容容滤除高除高频成成分。分
25、。关键器件选择关键器件选择4.4 4.4 输出电容输出电容作用作用输出电容的作用是滤除开关纹波。输出电容的作用是滤除开关纹波。C C越大，越大，ZC ZC 越小，当电容阻抗远大于负载阻抗越小，当电容阻抗远大于负载阻抗R R时，几时，几乎一切的电感电流纹波都流经电容。电容电流波形乎一切的电感电流纹波都流经电容。电容电流波形iC(t)iC(t)等于电感电流波形去掉直流成分等于电感电流波形去掉直流成分后的交流成分。后的交流成分。输出纹波电压由容量和输出纹波电压由容量和ESRESR共同决议。共同决议。由容值引起的纹波：由容值引起的纹波： 由由ESRESR引起的纹波：引起的纹波： 输出纹波：输出纹波：关
26、键器件选择关键器件选择容值和容值和ESRESR选择选择电解电容的容值较大，输出纹波主要是由电解电容的容值较大，输出纹波主要是由ESRESR呵斥。要降低纹波，主呵斥。要降低纹波，主要是减小要是减小ESRESR。 陶瓷电容的陶瓷电容的ESRESR很小，要降低纹波，主要是增大电容。很小，要降低纹波，主要是增大电容。故输出电容普通选择具有较大容值和较小故输出电容普通选择具有较大容值和较小ESRESR的电容，为减小的电容，为减小ESRESR，可采用多个瓷，可采用多个瓷片电容并联的方式。片电容并联的方式。关键器件选择关键器件选择DC-DCDC-DC电源电源PCBPCB规划规划 输入开关电流环路尽可以小、坚
27、持模拟和非开关器件远分开关器件、输出电容输入开关电流环路尽可以小、坚持模拟和非开关器件远分开关器件、输出电容必需衔接到必需衔接到PGNDPGND、电压反响环路应尽可以的短，并最好有接地屏蔽、衔接到、电压反响环路应尽可以的短，并最好有接地屏蔽、衔接到VFBVFB引脚引脚上的电压分压器的低电阻应该与模拟地共地、提供足够的通孔给上的电压分压器的低电阻应该与模拟地共地、提供足够的通孔给VIN,SWVIN,SW和和PGNDPGND衔接、衔接、VINVIN输入旁路电容和输入旁路电容和VINVIN高频旁路电容应尽可以接近设备放置。高频旁路电容应尽可以接近设备放置。PCBPCB规划图规划图TPS54329TPS54329运用图运用图问题问题1、输出反响端的电容有什么作用，接上与不接有什么区别？2、VBST与SW之间的电容有什么作用？3、为什么输入端要接三个不同容值的电容？那都是滤波，不同容值范围的电容有什么作用？4、感抗容抗与频率有何关系？5、电感Q值能否越大越好？THANKYOU！
