DC-DC 电源转换器基本原理.pdf

1、DC-DC 电源转换器基本原理 Mar. 26th, 2012 ,目录 目录 DC DC DC DC 转换器简介 转换器简介 DC DC- -DC DC 转换器简介 转换器简介 交换式电源结构框图 交换式电源结构框图 交换式电源结构框图 交换式电源结构框图 交换式电源原理介绍 交换式电源原理介绍 交换式电源原理介绍 交换式电源原理介绍 交换式电源设计实例 交换式电源设计实例 交换式电源设计实例 交换式电源设计实例 交换式电源 交换式电源线路重要参数 线路重要参数 交换式电源 交换式电源线路重要参数 线路重要参数 2DC-DC 转换器简介 DC DC 转换器简介 电源对于电设备犹如心脏对于人体，

2、是所有电设备的动力。 电源对于电设备犹如心脏对于人体，是所有电设备的动力。 早期，电设备功能单一，基本上直接用变压器将交流市电转换 为所需的直流电压即可满足要求。但随着电子设备功能日益多 样，其系统线路也越来越复杂，对电源的要求也越来越高。同 时，以轻便、小巧为发展趋势的电子产品，不可能允许每组 power 都由体积大 干扰强的交流变压器来实现 因此 研发 power 都由体积大、干扰强的交流变压器来实现。因此，研发 直流到直流的电源转换成为必须。 把直流电压变换为另 种直流电压最简单的办法是串电阻 把直流电压变换为另一种直流电压最简单的办法是串电阻， 但是由于焦耳热的消耗，会使这种方式转换的

3、效率非常低，它 只适用于电流极小的电压转换 另外 利用半导体器件( 如PN 结) 只适用于电流极小的电压转换。另外，利用半导体器件( 如PN 结) 的电压drop 能力实现降压，也就是所谓的LDO 方式，这种方式 3DC-DC 转换器简介 的损耗比直接用电阻会好很多，但依然存在效率低、过电流能 DC DC 转换器简介 的损耗比直接用电阻会好很多，但依然存在效率低、过电流能 力有限、电压drop 范围小等局限性。 传统式 变换 Figure-1 传统式DC-DC变换 器 在计算机出现之后 ，由于其对大loading power 的需求，使 在计算机出现之后 ，由于其对大 oad g po e 的

4、需求，使 得传统的DC-DC 变换器已完全不可能再满足设计需求。 思考：请充分发挥想象，思考实现电压变换还有什么方法？ 提示 排列组合能引发质变 能产生奇迹 4 提示：排列组合能引发质变，能产生奇迹。DC-DC 转换器简介 在power 转换中，由于电感、电容对脉 动电流和电压的滞后 DC DC 转换器简介 p 转换中 容对 动 滞后 性以及其对能量的储存性，再配合以精准的反馈回路，可以实 现电压转换功能. Figure 2 交换式DC DC变换器 5 Figure-2 交换式DC-DC变换器交换式电源结构框图 交换式电源结构框图 Voltage Regulator Module(VRM) B

5、lock Diagram gg () g Over Voltage Power Protection (OVP) Driver ICs MOSFET supply Enable PWM control ICs Driver ICs MOSFET LC filter Driver ICs MOSFET LC filter Power Power Good Feedback Voltage VID Over Current Compensate configure CODE Protection (OCP) p g () 6 Figure-3交换式电源原理介绍 交换式电源原理介绍 基本交换式电源转

6、换器电(Buck转换器) Figure-4 7 Figure-4交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Buck转换器) 交换式电源原理介绍 Figure-5 8 Figure-5交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Buck转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) a. Q1导通时 V ()V V V VL(t)=VL(ON)=VI-VO iL(t)=iL(0)+( VL(t)dt)/L iL(t) iL(0)+( VL(t)dt)/L =iL(0)+(VI-VO)t/L 则t = t(ON) = DTS时, 由上式可得知: i (DT ) i (0) (V V )DT /

7、L D: Duty Cycle 9 iL(DTS)=iL(0)+(VI-VO)DTS/L 1交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Buck转换器) 交换式电源原理介绍 Figure-6 10 Figure-6交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Buck转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) b. Q1截止时 VL(t)=-VL(OFF)=-VO VL(t) VL(OFF) VO iL(t)=iL(DTS)+( VL(t)dt)/L =iL(DTS)+(-VO)(t-DTS)/L 则t T 时 由上式可得知 则t = TS 时, 由上式可得知: iL(TS)=iL(DTS

8、)+(-VO)(1-D)TS/L 2 11 iL(TS)=iL(DTS)+( VO)(1 D)TS/L 2交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Buck转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) c. 当转换器在稳态时 iL(TS)= iL(0) ( ) () 由 1, 2 式可得出 2 1 因此: iL(TS)=iL(0)+(VI-VO)DTS/L+(-VO)(1-D)TS/L 因此: (VI-VO)DTS = VO(1-D)TS 或者: 12 或者: VL(ON)DTS = VL(OFF)(1-D)TS VO/VI = D = tON/TS交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换

9、器电(Boost转换器) 交换式电源原理介绍 13 Figure-7交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Boost转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) a. Q1导通时 VL(t)=VI (t) iL(t)=iL(0)+( VL(t)dt)/L =iL(0)+VIt/L 则t = t(ON)=DT S时 由上式可得知: D: Duty Cycle 则t = t(ON) = DTS时, 由上式可得知: iL(DTS)=iL(0)+VIDTS/L D: Duty Cycle 3 14 iL(DTS) iL(0)+VIDTS/L 3交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Bo

10、ost转换器) 交换式电源原理介绍 2.2 升压型(boost)转换器 15 Figure-8交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Boost转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) b. Q1截止时 V (t) (V V ) VL(t) = -(VO-VI) iL(t)=iL(DTS)+( VL(t)dt)/L =iL(DTS)+-(VO-VI)(t-DTS)/L 则t = TS 时, 由上式可得知: i (T ) i (DT )+ (V V )(1 D)T /L 4 16 iL(TS)=iL(DTS)+-(VO-VI)(1-D)TS/L 4交换式电源原理介绍 基本交换式电源转

11、换器电(Boost转换器) 交换式电源原理介绍 17 Figure-9交换式电源原理介绍 基本交换式电源转换器电(Boost转换器) 交换式电源原理介绍 稳态分析(CCM) c. 当转换器在稳态时 iL(TS)= iL(0) iL(TS) iL(0) 由 1, 2 式可得出 4 3 因此: iL(TS)=iL(0)+VIDTS/L+-(VO-VI)(1-D)TS/L 因此: VIDTS = (VO-VI)(1-D)TS 或者 18 或者: VO/VI =1/(1-D)交换式电源设计实例 交换式电源设计实例 交换式电源实讲解 以Buck 线路为例，其拓扑形式在实际的应用中很少用续流二 极管 因为

12、续流二极管的反向电流很大 损耗太严重 实际中 极管 ，因为续流二极管的反向电流很大, 损耗太严重。实际中， 多采用MOSFET 替代续流二极管，这样就有效的抑制了反向电 流问题 。但是，这样就对两个MOS 管的开关次序和时间有了更 流问题 。但是，这样就对两个MOS 管的开关次序和时间有了更 高的要求，必须保证两MOS 管在任何时候都不能同时打开，即 要具有完全的同步性. 因此这种采用两个同步开关MOS 拓扑的 转换器称为同步型转换器。相应的，称采用续流二极管方式的 转换器称为非同步转换器。 19交换式电源设计实例 交换式电源设计实 交换式电源设计实例 20 Figure-10PWM 内部基本

13、工作原理 PWM: Pulse Width Modulation vramp vout p vramp Duty vout 交换式电源设计实例 交换式电源设计实 交换式电源设计实例 例：a. V 输入=19.5Vdc 、V 输出=5Vdc 、I 输出=5Adc ； b. 环境温度为25 C ； 环境温度为 ； c. 初始计算时的最小电源效率大于90% ； d. PWM IC 的开关频率为300kHz ； 解：1. D=Vout/Vin= 5V/19.5V=0.256 2. T=1/f=1/300kHz=3.33us ； 3. Ton=D*T=(0.256)*3.33us ； 4. Toff=T

14、- Ton=3.33us-0.854us=2.45us ； 5P V *I 25W 5. Pout=Vout*Iout=25W; Pin=Pout / =25W/90%=27.8W; P P P 27 8W 25W 2 8W 22 Pdiss=Pin-Pout=27.8W-25W=2.8W;DC DC- -DC converter Key parameter introduction DC converter Key parameter introduction yp yp 1. Input requirements: Input voltage Input current i Input p

15、ower rating Efficiency Ittt i Input protection Catastrophic Failure Protection 2 Ot t i t 2. Output requirements: Output voltages, output currents and protection Output voltage timing Output voltage timing 3. Key Signal: PG/E bl /VID d 23 PG/Enable /VID codeDC DC- -DC converter Key parameter introdu

16、ction DC converter Key parameter introduction yp yp Input voltage: The module shall operate from a given DC input voltage . And it aslo must be able to The module shall operate from a given DC input voltage . And it aslo must be able to sustain an input voltage slew rate (dv/dt) within the specified

17、 input voltage range. Input current At the maximum output load, the input current should not greater than a given current on the normal input voltage. Input power rating Input power rating The modules power rating should not exceed the given power rating . Efficiency Efficiency The power loss shall

18、not exceed the value stated in spec. Input protection Input protection OCP (Input over-current): The power modules circuit is required to isolate the power supply from the input bus under abnormal operating conditions such as If a short occurs on th i t b th t i d b th t l d i t d t th b th th 24 th

19、e input bus that is caused by some other external device connected to the bus, then the module shall immediately isolate itself from the input bus. The unit should automatically reconnect to the bus as soon as the short has been cleared.DC DC- -DC converter Key parameter introduction DC converter Ke

20、y parameter introduction yp yp UVP (Under voltage protection): The assembly shall contain protection circuitry such that the application of an input voltage below the minimum specified in spec shall not cause damage to the application of an input voltage below the minimum specified in spec shall not

21、 cause damage to the unit nor cause failure of the input fuse. The power supply shall work normally once the DC input is in Spec. OVP (Over voltage protection): The assembly shall contain protection circuitry such that the OVP (Over voltage protection): The assembly shall contain protection circuitr

22、y such that the application of an input voltage above the maximum specified in spec shall not cause damage to the unit. The power supply Shall work normally once the DC input is in Spec. Catastrophic Failure Protection Catastrophic Failure Protection The primary circuit design and the components spe

23、cified in the same shall be such that should a component failure occur, the unit shall not exhibit the following: Flame Excessive smoke Charred PCB Charred PCB Fused PCB Conductor Starling noise 25DC DC- -DC converter Key parameter introduction DC converter Key parameter introduction Output voltage:

24、 Once the power supply work in normal condition, the output voltage shall in the spec .For this Once the power supply work in normal condition, the output voltage shall in the spec .For this parameter, we all use Line regulation test, dynamic test, static test, combine regulation test to test it. Li

25、ne regulation test: Inconstant input voltage change, and the output voltage should keep constant. DiI l dd h lhl d k Dynamic test: Inconstant load , and the output voltage should keep constant. Static test: Constant load, and the output voltage should keep constant. Combine regulation test: Inconsta

26、nt load and input voltage, and the output voltage should keep Co b e egu at o test: co sta t oad a d put vo tage, a d t e output vo tage s ou d eep constant. OVP (Over voltage protection): When the output voltage is over 110% of normal output ,the power dl h l dhtd t tt hl df dt i module should shut

27、 down to prevent the load from destroying. UVP (Under voltage protection): When the output voltage is below 90% of normal output ,the power module should shut down . Output current: The power supply should work normally under the output current from the light load to heavy load . 26 pp p y y p g y O

28、CP Point (over current protection Point ): Once the output point exceed this point of Load, the power supply should shut down to prevent it from destroying .DC DC- -DC converter Key parameter introduction DC converter Key parameter introduction yp yp SCP ( short circuit protection): When the output

29、port is short to GND, the power should shut down to tt protect. Output voltage timing Turn on time: The output shall be in regulation (90% of the normal output) within given time when the pg(p )g valid input power has been applied. Rise time: The rise time for the output voltage increase from 10% of

30、 the normal output to 90% of normal output p Hold on time. Key signals: PG (power good signals): This signal become high when the output voltage is between 90% of normal output and 110% of normal output. Enable: Control the output voltage of power module When this signal is effective the output is normal Or Enable: Control the output voltage of power module. When this signal is effective, the output is normal, Or it is No output. VID code: This is digital signal. The output voltage can be programmed by change the VID code. 2728The End The End Thank you! Thank you! 29