1. DC/DC基礎(chǔ)
作為一個(gè)不是以電源設(shè)計(jì)為方向的硬件工程師。我的目標(biāo)是掌握LDO，BUCK，BOOST，BUCK-BOOST，F(xiàn)LYBACK這幾種拓?fù)洹Ｆ渌耐負(fù)淙缯?，半橋，全橋，PFC等我就不做了解。建議大家先看基本元件里的所有內(nèi)容。R C L D的參數(shù)并不是大家想的那么簡單，用好BJT和MOSFET更是每一個(gè)EE的基本功。
1.1. 參考資料
- 所有筆記的鏈接
- ADI-電源大師課(關(guān)注ADI智庫微信，有免費(fèi)版本的)
- DC/DC粗略介紹
- DC/DC-電容電感的參數(shù)
- Load transient calculation
- DC/DC架構(gòu)
- 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)-中文版-第一版
- Common Mistakes in DC/DC Designs
- Fixed Frequency vs Constant On-Time Control of DC/DC Converters
- how to measure loop gain
1.2. 名詞解釋
- DC/DC：直流到直流變換器
- AC/DC：交流到直流變換器
- SMPS：switching mode power supply
- LDO：low dropout 低壓差線性穩(wěn)壓電源
- BUCK：降壓變換器
- BOOST：升壓變換器
- BUCK-BOOST：升降壓開關(guān)電源
- FLYBACK：就是反激式隔離電源
- CCM：continuous conduct mode
- DCM：discrete conduct mode
- VMC：voltage mode control
- CMC： current mode control
- SRF：self-resonant frequency
1.3. 總結(jié)
了解一個(gè)電源，主要有以下幾個(gè)方面：
- 常用拓?fù)洌?
- 工作原理，
- 充電回路，放電回路。
- 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形
- 評價(jià)指標(biāo)：
- 紋波電壓：Vripp
- 暫態(tài)響應(yīng)：line regulation，load regulation
- 環(huán)路穩(wěn)定性：1/2/3類補(bǔ)償
- 關(guān)鍵器件選型：
- L：類型，容量。Isat，Irms，DCR，寄生電容，諧振頻率
- C：類型，容量，耐壓，Irms，ESR，ESL，諧振頻率
- D：類型，Vf，If，Trecover，耐壓，漏電流
- MOSFET：損耗和功耗分析，If，Vce，Rdson，Cgd：Mealy Effect
幾個(gè)基本概念是貫穿整個(gè)分析過程的：
- 設(shè)計(jì)的要求：輸入電流和輸出電流都是穩(wěn)定的值。在line regulation和load regulation時(shí)候除外
- 電容的電壓不能突變。
I=C*∂V/∂t電容上的電流表示了電容上電壓的變化率 - 電感的電流不能突變。
V=L*∂I/∂t電感的電壓表示了電感上電流的變化率。法拉第定律 - 電流流入電容的時(shí)間積分，就是電容的電壓抬升。如果想要穩(wěn)態(tài)工作，電容上的電壓不波動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)電容的電流的I_total_mean=0。
Q=CV, Q=∫Idt。 - 電感上的磁通，就是瞬時(shí)電流的值。如果想讓電感進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，那么ΔΦ=0，那么ΔI=0。所以一個(gè)周期內(nèi)電感上：ΔI_on=ΔI_off。
Φ=LI V=∂Φ/∂t
幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)技巧：
- ΔIripp一般是Io的0.3-0.5
- 考慮到電感的體積和紋波電壓的tradeoff
- 開關(guān)頻率和電感值
- 一般我們不喜歡電感變大，因?yàn)槿萘孔兇蟮?倍，體積變?yōu)?倍。
- 增大f，可以用小的L
- f大了，EMC特性就差了。
- 輸出電容：
- 紋波電壓決定了電容的值。
- ESR決定了紋波電壓
- 輸入電容：
- 容值？
- 一般使用的電解電容，他有個(gè)參數(shù)是Irms，一定要考慮
2. 電源的功能和參數(shù)
- 電源的基本功能： 3. 軟啟動(dòng) 4. 過流檢測 5. 欠壓檢測 6. 過壓檢測 4. 自舉電路
-
- 參數(shù)：
3. BUCK
- 最重要：
-
3.1. LDO和BUCK的區(qū)別
3.2. 參數(shù)選擇
- 效率的因素：
-
- 輸出紋波電壓&動(dòng)態(tài)響應(yīng)
-
- 選擇f和L
-
- 選擇MOS，功耗計(jì)算
-
- 選擇電容
-
3.3. LTspice
電壓：
各點(diǎn)的電流波形：
3.4. BUCK的電容
3.4.1. 輸入輸出電容的電流RMS
- 輸出電容的電流RMS：
- 簡單，計(jì)算三角波的RMS
- 輸入電容的電流RMS：
- 復(fù)雜，背公式吧
- 也有簡單的等效公式：
-
3.4.2. 穩(wěn)態(tài)的紋波
- 以上兩者都會影響到電容的選擇，主要是C和ESR上
- 用波形分析，哪種分量占主導(dǎo)：
-
- 經(jīng)過復(fù)雜的公式推導(dǎo)后，我們可以得到一個(gè)近似的公式：ESR和C和輸出紋波的關(guān)系
- 近似公式，在中ESR區(qū)域有點(diǎn)不準(zhǔn)。
- 其實(shí)圖中還根據(jù)ESR和C的關(guān)系，分為高中低ESR區(qū)域
-
-
- 看似這個(gè)近似公式是吧ESR和C上的紋波均方相加了。
3.4.3. 高頻紋波
之前計(jì)算的都是基于紋波電流產(chǎn)生的紋波電壓。事實(shí)上還有第二種紋波，是因?yàn)殡姼械募纳娙?，?dǎo)致諧振，產(chǎn)生一個(gè)電流spike。這個(gè)時(shí)候，需要并聯(lián)諧振電容來吸收尖峰。You will not know the capacitor values until after you test the running power supply for ringing noise。
- 為什么我們已經(jīng)加的電容起不到作用：
- 寄生參數(shù)
- 電容的ESL：
- 走線的ESL：
- 寄生參數(shù)
- 選擇合適的高頻電容：
- 諧振頻率和容值，封裝，材質(zhì)有關(guān)系
- 諧振頻率：
3.4.4. transient response的紋波
就是負(fù)載突然變大變小，導(dǎo)致的輸出紋波產(chǎn)生的overshoot和undershoot。這個(gè)需要計(jì)算電容的C和ESR。一個(gè)籠統(tǒng)的公式I*t=C*dv，這里沒有考慮ESR，同時(shí)t也是很難得到的。建議使用ADI的CAD工具去挑選合適的C，可以抑制住overshoot。loop gain的帶寬越大，transient response的幅度越小
3.5. 電流的模式
電流模式：
- CCM：電感的電流不會到0
- DCM：電感的電流會到0，然后關(guān)斷
3.6. 控制模式
控制模式：
- VMC：電壓模式控制
-
- CMC：電流模式控制
-
3.7. 補(bǔ)償
- 二型
-
- 三型
-
3.8. 最小開通時(shí)間
有些BUCK IC有一個(gè)參數(shù)：最小開通時(shí)間 這個(gè)參數(shù)的作用： - IC可以控制MOS最小的開啟時(shí)間 - 計(jì)算： - 輸入16，輸出1.8，那么D=0.8 - Ton=D*T=D/T>30ns - 如果算出來的Ton很小，那么MOS管會來不及關(guān)斷
3.9. EMC考慮
環(huán)路中，di/dt,dv/dt變化大的節(jié)點(diǎn)，EMC的影響會很大。di/dt：會耦合到線路的寄生電感上dv/dt：會耦合到對地的寄生電容上
4. BOOST
4.1. 輸入輸出電容的電流RMS
5. BUCK-BOOST
5.1. 輸入輸出電容的電流RMS
- 只看前面兩個(gè)開關(guān)是buck。只看后面兩個(gè)開關(guān)是boost
-
6. FLYBACK
7. 環(huán)路控制模式
電壓控制模式 很穩(wěn)定，很好。需要三型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 但是如果有CCM VCM模式的時(shí)候，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)效果不同，需要compromise
使用網(wǎng)分測試電源的環(huán)路增益 穿越頻率越高，瞬態(tài)響應(yīng)越好，但是越不穩(wěn)定。 穿越頻率越低，就是阻尼系數(shù)越大，瞬態(tài)響應(yīng)越差，但是越穩(wěn)定 使得穿越頻率在開關(guān)頻率的1/5，會有45°的相位裕度
current mode 會忽略剛開始的spike。所以也有了一個(gè)minimal on time
占空比大于50%需要斜率補(bǔ)償
8. Layout 建議
8.1. 電感的漏磁
SRF分析 BUCK的紋波 流過電容的電流是三角波 電容的ESR：三角波 C：正弦波 ESL：方波 但是電感會有寄生電容，產(chǎn)生自諧振，導(dǎo)致了一個(gè)spike。 解決方式：寄生電容小的，諧振頻率高的。 多個(gè)輸出電容并聯(lián)，可以減小ESR ESL 減少dv/dt，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)，串聯(lián)一個(gè)小電阻，會減慢沿，但是降低效率
電感漏磁怎么辦：
- 選個(gè)帶屏蔽殼的電感
- 漏的磁，最終會感應(yīng)到電容的ESL上，但是V=ΔΦ/Δt？
- 輸出電容，遠(yuǎn)離電感
9. 電源防護(hù)
10. 鋰電池充電
11. 其他總結(jié)的資料
這里的內(nèi)容，已經(jīng)包含了很多電源大師課的內(nèi)容。如果還想細(xì)致地了解一下，請看我做的
12. FAQ：
加強(qiáng)內(nèi)容：MOS的損耗分析。電流控制電壓控制。1，2，3型補(bǔ)償？？這幾點(diǎn)又忘了……
12.1. 為什么輸出有一串的電容并聯(lián)
- 暫態(tài)響應(yīng)對電容的容值有更強(qiáng)的要求，一般只能用電解電容滿足容量要求。
- 同時(shí)為了控制電解電容的ESR，需要并聯(lián)陶瓷電容。
- 吸收spike。
- 因?yàn)殡姼杏屑纳娙?，有個(gè)諧振頻率會讓電感電流有個(gè)spike。
- 這個(gè)spike會流過電容，產(chǎn)生高頻的紋波spike。
- 這個(gè)時(shí)候需要輸出電容吸收掉這個(gè)spike。
- 電容一直在考慮ESR，ESL。在高頻下也有一個(gè)諧振頻率。這個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗最低，能最好地吸收spike。
- 每個(gè)電容的諧振頻率是不一樣的，所以就要并聯(lián)很多個(gè)電容，組成不同的諧振頻率的吸收點(diǎn)。
- 以上兩個(gè)原因就是為什么輸出會并聯(lián)一堆的電容。簡單的說就是要組成大容量，小ESR，多個(gè)諧振頻率吸收峰。
12.2. 為什么有了BUCK等拓?fù)?，還要用各種控制原理
常用的控制原理有：
- 電壓控制
- 把輸出的電壓，經(jīng)過分壓采樣電阻之后，和誤差放大器的Vref比較，最終控制D。
- 電流控制
- 在電壓控制的基礎(chǔ)上
- 多了，電流采樣的環(huán)節(jié)，采集了輸入的電流。
這些控制原理實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。如果只有BUCK，那么就是開環(huán)控制，Vin變了，D也不變，輸出就不穩(wěn)定了。引入了閉環(huán)控制之后，就要分析環(huán)路的穩(wěn)定性，分析補(bǔ)償方式。因?yàn)殡妷嚎刂坪碗娏骺刂埔氲膫骱煌銟O點(diǎn)個(gè)數(shù)也不同，所以補(bǔ)償方式也不同，但是補(bǔ)償都是基于誤差放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/p>
12.3. 為什么我們沒有關(guān)注電源的穩(wěn)定性
- 首先理論分析復(fù)雜。
- 因?yàn)橛锌刂破骱蚉WM環(huán)節(jié)
- 其次實(shí)驗(yàn)室是可以測量的，但是需要網(wǎng)分。
- 給反饋電阻上注入一個(gè)小信號，測量輸出的信號，多次測量就可以得到閉環(huán)傳輸函數(shù)了
- 因?yàn)镮C內(nèi)置了反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
- 就算外置了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。按照典型設(shè)計(jì)，選取一樣的電容電感，就可以用它的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
12.4. 怎么測試寄生參數(shù)
寄生參數(shù)測量
