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DC-DC BUCK电源芯片的基本工作原理

2021-1-11 16:28:48  499 DC-DC BUCK电源
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  1. 同步和非同步DC-DC
  如下两个图分别是非同步架构和同步架构的DC-DC,区别在于非同步使用二极管作为续流二极管,同步架构使用的是mos管
  
  非同步降压拓扑结构
  
  同步降压拓扑结构
  同步和非同步大致有如下的区别:
  (1)非同步的效率低,同步的效率高,原因是同步使用的是MOS管,MOS管的Rds(on)小,在通过大电流时,导通压降小,损耗小,效率高,而二极管的正向压降一般大于MOS管。
  非同步架构二极管上的功耗为:
  PD=VD∗IOUT∗(1−VOUTVIN)P_{D}=V_{D}*I_{OUT}*(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})PD​=VD​∗IOUT​∗(1−VIN​VOUT​​)
  同步架构MOS管上的功耗为:
  PFET=RON∗IOUT2∗(1−VOUTVIN)P_{FET}=R_{ON}*I^2_{OUT}*(1-\frac{V_{OUT}}{V_{IN}})PFET​=RON​∗IOUT2​∗(1−VIN​VOUT​​)
  (2)同步架构的成本更高一点,MOS管比二极管贵;因为是MOS管,还需要外加控制电路
  (3)非同步的可靠性比同步高,MOS管不是理想的开关,是有开通时间和关断时间的,如果上下两个MOS管的死区时间没有控制好,使上管关断时间和下管开通时间有重叠,造成有直通现象,那么MOS管可能因电流过大而损坏。所以我们经常看到MOS管的内部框图中,上管和下管之间会有一个二极管,就是为了防止直通短路。
  2. DC-DC BUCK基本原理
  如下是DCDC BUCK芯片的框图,上面的NMOS称为high-side MOSFET,下面的NMOS称为low-side MOSFET。当高边MOS管打开时,SW为VIN,SW对电感进行充电储能,电感电流呈上升趋势;当低边MOS管打开时,SW为GND,此时电感通过续流二极管对输出电容和负载进行供电,理论上高低MOS管不能同时打开,所以上下管打开的周期就形成了占空比,根据负载的轻重,来调节不同的占空比,满足不同负载需求。
  
  高边MOS管和低边MOS管
  3. DC-DC BUCK基本组成
  同步和非同步BUCK调节器主要都是由误差放大器,脉宽调节器,输出滤波器和补偿网络等组成,其中脉宽调节器和输出滤波器加在一起又叫Power Stage。
  
  
  4. DC-DC BUCK闭环调节
  当输入电压或者负载变化时,DC-DC的VOUT是缓慢变化的,这个变化量通过反馈FB检测(R1/R2分压),输入到误差放大器的反向端,与正向端的参考电压进行比较,误差放大器形成一个输出变化量,这个变化量输入到PWM调制器的一端,与斜率补偿形成重新校准的占空比,来控制控制G极驱动器输出VOUT,实现了系统自动调节,这个是DC-DC内部的闭环调节原理。
  
  下图中的Vea就是误差放大器的输出量,Vt就是Slope compensation,斜坡补偿。
  

王栋春 2021-1-11 22:43:38
复习一下开关电源基础知识
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