电源硬件设计----降压(Buck)变换器基础

忘是亡心i 2023-09-27 10:01 13阅读 0赞

## 1 降压(Buck)变换器的基本工作原理 ##

#### 1.1 降压(Buck)变换器实例 ####

LMR33630同步降压转换器特性：

*  输入电压范围：3.8V 至 36V
 *  输出电压范围：1V 至 24V
 *  输出电流：3A
 *  峰值效率高于95%

典型应用电路如图所示：

![Alt][]  
**电路图来自LMR33630官方数据手册**

TPS5450异步降压转换器特性：

*  输入电压范围：5.5V 至 36V
 *  输出电流：5A(连续)，6A(峰值)

典型应用电路如图所示：

![在这里插入图片描述][005d1291c01642778664890cfef68931.png_pic_center]  
**电路图来自TPS5450官方数据手册**

#### 1.2 降压(Buck)变换器简介 ####

降压直流开关变换器组成：

*  功率半导体
 *  输入输出滤波电容
 *  滤波电感

通过变化器内部电路的工作，把`高输入电压转换为低输出电压`，如图所示：

![在这里插入图片描述][f51bd0b5d64547aaa20ac3d895ce8d08.png_pic_center]

#### 1.3 降压(Buck)变换器工作原理 ####

降压(Buck)变换器拓扑如图所示：

**异步降压变换器：** Q2为肖特基二极管

*  二极管在大电流负载时，压降比较大
 *  效率不高

**同步降压变换器：** Q2为MOS管

*  MOS管在大电流负载时，压降比较小
 *  效率高
 *  需要芯片额外的控制线路

![在这里插入图片描述][46ce7ba070db410ea94a479833624467.png_pic_center]

开关Q1闭合，开关Q2断开时，`电感储能增加`，如图所示：

![在这里插入图片描述][1f910c1cf8e4457dae452874fe42cf6b.png_pic_center]

开关Q1断开，开关Q2闭合时，电感储能减少，`电感对外放出能量`，如图所示：

![在这里插入图片描述][34dc14561a79494c9cd327b9d813f4c6.png_pic_center]

开关Q1是主开关，开关Q2是整流开关，Q2可以用单向导电的二极管代替。当Q2是个二极管，二极管的单向导电特性自动防止了电流的倒流

#### 1.4 降压(Buck)变换器输入输出关系 ####

Q1开关闭合，Q2开关断开，电感两端电压为Vin-Vo，电感电流从Ivalley开始上升到Ipeak  
Q1开关断开，Q2开关闭合，电感两端电压为-Vo，电感电流从Ipeak开始下降到Ivalley  
**输入输出关系波形图如图所示：**

![在这里插入图片描述][c676aed426ee48d48323c423828fd9ed.png_pic_center]

输入输出电压关系和输出电压纹波计算公式如下：

![在这里插入图片描述][152315fa187d4fa98183ce0800d0a51e.png_pic_center]

*  输出电压纹波与输出功率无关
 *  输出电容越大，电压纹波越小
 *  输出频率越高，电压纹波越小
 *  电感量越大，电流纹波越小，电压纹波越小

## 2 降压(Buck)变换器外围器件的选择 ##

#### 2.1 降压(Buck)变换器电感选择 ####

电感纹波电流计算：

![在这里插入图片描述][49e28abfdf264d54bc3dc9cc7ad47b78.png_pic_center]

计算电感感值，通常电感纹波电流为：

![在这里插入图片描述][250462d909a7473bacb62a7a04485be6.png_pic_center]

电感感值计算：

![在这里插入图片描述][6f95aec0217b488b9f3a287b7dfb97ec.png_pic_center]

电感必须能承受峰值电流和RMS电流：

![在这里插入图片描述][45b3449ccd0146f5adf26ab8e1c3bd9a.png_pic_center]

**常用电感的种类和特性：**

*  蔽磁露：工字型磁芯绕漆包线，外面封锰锌类罩子；高频特性好，屏蔽性好，饱和特性差，价格偏高
 *  磁封胶：工字型磁芯绕漆包线，外面封胶；高频特性好，饱和特性差，价格便宜
 *  一体成型：碳基合粉压制而成；饱和特性好，不太适合高频场合

电感选取还需要注意：饱和电流；温升电流；电感DCR

TPS5450数据手册中电感选择，如图所示：

![在这里插入图片描述][cb707c437b5243b7aabbde71057f4b5c.png_pic_center]

#### 2.2 降压(Buck)变换器输出电容选择 ####

输出电压纹波满足要求：

*  在一个周期内电容充放电形成的电压纹波，计算如下：

![在这里插入图片描述][044da11c02024bf99259676db8b6bd7f.png_pic_center]

*  电容ESR形成的纹波：电感纹波电流流过电容形成的纹波电压，所以总的输出电压纹波包含两部分

**电容的种类和特性：**

*  电解电容：容值大，耐压值高，ESR大
 *  固态电容：容值大，稳定性比电解电容好
 *  钽电容：寿命长，精度高
 *  陶瓷电容：非常普及，价格低廉，ESR小，容值和耐压低

电容选取注意事项：温度等级(X5R，X7R等)，额定电压(10V，16V，25V等)，直流电压特性

TPS5450数据手册中输出电容选择，如图所示：

![在这里插入图片描述][b90e85fe8fe647c488505fc854f7767c.png_pic_center]

#### 2.3 降压(Buck)变换器输入电容选择 ####

输入纹波：上管开通时，输入电容供能，输入电压降低，上管关断时，前级给输出电容充电，输入电压升高。电压纹波计算如下：

![在这里插入图片描述][c77cfc093287432d9a2bca8092e24aec.png_pic_center]

可选择高频滤波电容，PCB布局时，`电容尽量靠近芯片输入引脚`  
TPS5450数据手册中输入电容选择，如图所示：

![在这里插入图片描述][7bc63cadbe5e489baa3bae978ef8d6eb.png_pic_center]

#### 2.4 降压(Buck)变换器反馈电阻选择 ####

FB的输入电流IFB，反馈电压Vref，可计算上下分压电阻之和：

![在这里插入图片描述][2953c8c3cf3945269a85a8f92f51a389.png]

上下分压电阻如图所示：

![在这里插入图片描述][97dcdb4c0af1451ea9e9f0091eb675a9.png_pic_center]

通常先确定下分压电阻RFBB，再计算上分压电阻，计算如下：

![在这里插入图片描述][2ce55e9b0f30499da23d78b4e915927b.png_pic_center]

TPS5450数据手册中反馈电阻选择，如图所示：

![在这里插入图片描述][71da1ab048c04327a2a42cdd38ed2893.png_pic_center]

#### 2.5 降压(Buck)变换器自举电容选择 ####

降压变换器的功率管的S(源)极浮地的，因此需要有浮地的驱动线路来驱动功率管。自举电容连接在Boot和SW两端，给驱动供电。TPS5450自举电容如图所示：

![在这里插入图片描述][1e3b8d45ddac47238e3685c0b01e3d3e.png_pic_center]

自举电容的电容容量需要远大于内部开关管的Ciss，电容上的纹波通常小于10%的直流电压

#### 2.5 开关节点SW的波形 ####

*  上下管交替开通，SW的波形为方波
 *  方波的上升沿通常有过冲  
    ![在这里插入图片描述][852e92949fe542b59d8a695652c5b064.png_pic_center]  
    **过冲的原因：**
 *  上管快速开启带来电流的变化
 *  SW节点的寄生电感
 *  Q2二极管的反向恢复电流

**过冲的危害：**

*  恶化EMI性能
 *  可能超过芯片耐压，从而导致损坏

## 3 降压(Buck)变换器特点 ##

#### 3.1 调频模式和脉宽调制模式 ####

**`脉宽调制模式变换器：`**

*  脉宽调制模式(PWM=Pulse Width Modulation)
 *  强制脉宽调制模式(FPWM=Force Pulse Width Modulation)
 *  变换器架构：内部振荡器频率固定
 *  驱动信号：固定频率，变化占空比来调节输出电压

**`调频模式变换器：`**

*  调频模式(PFM=Pulse Frequency Modulation)
 *  内部振荡器频率可变
 *  固定导通时间或者固定关断时间

#### 3.2 最小/大占空比 ####

降压(Buck)变换器的最大和最小占空比：

*  占空比的范围在0-1之间，实际变换器通常有最小导通时间(ton\_min)和最小关断时间(toff\_min)。固定频率(Tsw)的变换器，其最小和最大占空比由其最小导通时间和最小关断时间决定：Dmin=ton\_min/Tsw；Dmax=(Tsw-toff\_min)/Tsw
 *  对于DC-DC降压变换器，输入电压必须满足：Vout/Dmax<=Vin<=Vout/Dmin

#### 3.3 过流保护：逐周期限流 ####

为避免主功率管过流损坏，降压芯片一般采用逐周期限流功能

**逐周期限流的两种基本方式：**

*  谷值电流限制，在主功率管关闭时检测电感电流，低于阈值后允许打开
 *  峰值电流限制，在主功率管打开时检测电感电流，超过阈值立即关闭

逐周期限流的缺点：当芯片严重过流时，逐周期限流功能会使输出电流维持在限流阈值上下，使得芯片在过流时具有较大损耗

#### 3.4 过流保护：打嗝模式 ####

当电路出现严重过流甚至输出短路时，为了减小芯片损耗，一般采用打嗝模式来限制芯片过流时的损耗

打嗝模式的特点：

*  打嗝保护期间主功率管关断，减小芯片的功率损耗和温升
 *  实时监测触发条件，同时打嗝保护时长固定
 *  具有软启动的恢复方式
 *  可与逐周期限流保护同时具备

打嗝模式的工作机制：

*  **触发**，当芯片监测到输出严重过流时，触发打嗝保护
 *  **保护**，触发打嗝保护之后，再持续监测一段时间，如果过流未恢复，打嗝保护开始
 *  **恢复**，打嗝保护时长固定，结束后芯片重新软启动，如果短路恢复则芯片正常工作；如果保护结束后短路还未恢复则打嗝保护会重新出发

## 4 降压(Buck)变换器控制模式 ##

#### 4.1 降压(Buck)变换器控制模式一：电压模式 ####

优点：

*  良好的抗噪声干扰能力
 *  开关频率固定
 *  适合大电流场景

缺点：

*  负载瞬态特性差
 *  需要三型补偿网络
 *  需要额外电路提升瞬态响应

#### 4.2 降压(Buck)变换器控制模式二：电流模式 ####

优点：

*  增加内部电流环路，快速的负载瞬态响应
 *  二型补偿网络
 *  开关频率固定

缺点：

*  对噪声较为敏感
 *  环路需要额外的斜坡补偿

#### 4.3 降压(Buck)变换器控制模式三：磁滞模式 ####

优点：

*  无需环路补偿
 *  超快速的负载瞬态响应
 *  支持小电感和电容

缺点：

*  开关频率近似固定
 *  对输出噪声敏感
 *  不适合高输出电压和大占空比工作条件

## 5 降压(Buck)变换器布板 ##

#### 5.1 降压(Buck)变换器电流转换速率回路 ####

开关管Q1导通，形成回路1：`Q1---L1---C1`

*  输入电流断续
 *  寄生电感会引起高电压尖峰

续流管Q2导通，形成回路2：`L1---C1---Q2`

*  输出电流连续，寄生电感影响小

回路1和回路2不重叠部分，形成回路3：`Q1---Q2`

*  高电流转换速率回路，其面积应尽可能小
 *

![在这里插入图片描述][b3b616ba6b8d4f3b95a806522cc1cf37.png_pic_center]

#### 5.2 降压(Buck)变换器PCB布局要点 ####

*  高功率高电流转换速率回路面积尽可能小
 *  驱动回路面积尽可能小
 *  采样等敏感信号保护
 *  布高频线时尽量避免直角

TPS5450原理图如图所示：

![在这里插入图片描述][058e15d4564e4fba8f42326948face6d.png_pic_center]

电路板额外设计了3.3V稳压电路，原理图如下：

![在这里插入图片描述][413d4c291036420d9faf0550fc7a3a9e.png_pic_center]  
TPS5450降压转换器PCB Layout注意事项：

*  输入电容靠近VIN和GND引脚
 *  输出电容靠近电感
 *  自举电容靠近CB和SW引脚
 *  反馈网络靠近FB和GND引脚
 *  反馈网络与高电流转换速率节点由GND隔离

![在这里插入图片描述][adae581cf507476784a0f278afe2c93d.png_pic_center]

TPS5450降压转换器PCB Layout，完整如图所示：

![在这里插入图片描述][a23a3c1b6adc470eac8ca5886ad3e816.png_pic_center]

完整电路板的3D和2D展示如图所示：

![在这里插入图片描述][63a85cce2a534add90cfbad3526ee0a2.png_pic_center]

TPS5450数据手册推荐PCB Layout，如图所示：

![在这里插入图片描述][eee5db460cf64c28bf6e0e4ad9248c79.png_pic_center]

#### 5.3 降压(Buck)变换器输出电压纹波 ####

**`输出电压含有低频纹波和高频噪声`**

**低频纹波**主要由电感纹波电流的大小和电容阻抗特性(C,ESR,ESL)决定，减小方法：

*  增加电感量或提高开关频率
 *  选更低ESR和ESL电容或电容并联使用
 *  输出侧增加LC滤波电路

**高频噪声**主要由高电流转换速率回路寄生电感和开关节点SW电压快速变化耦合而成，减小方法：

*  元器件的选型和放置(选寄生参数小的摆放方向)
 *  PCB的走线和层级之间的排列(控制关键回路面积、噪声屏蔽)
 *  输入/输出侧增加滤波电路(高频小电容)

#### 5.4 降压(Buck)变换器的产品种类 ####

**降压变换器：**

*  芯片包含了控制部分和功率开关管
 *  功率由芯片的最大输入电压和输出电流决定，适合小功率和中等功率应用
 *  系统成本较低
 *  配置简单

**降压控制器：**

*  芯片包含了控制部分和驱动电路
 *  功率由芯片的最大输入电压和驱动决定，适合中等功率和大功率应用
 *  系统成本中等
 *  配置复杂

**降压电源模块：**

*  芯片包含了控制部分和功率开关管，以及输出电感以及输入输出电容
 *  功率由模块的输出能力决定，适合小功率和中等功率应用
 *  成本较高
 *  配置简单

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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