1.3 设计举例

  • 本课程为精品课,您可以登陆eeworld继续观看:
  • 1.3 设计举例
  • 继续观看
展开字幕 关闭字幕 时长:10分28秒
评论 收藏 上传者:hi5
第三部分我们将以一个实际的例子 来介绍一下如何来设计 LM5175 这个四开关的升降压变换器 接下来我们以一个实际的例子 来看如何去设计四开关的升降压变换器 那么我们的设计目标是 输入电压从 6V 到 42V 那么输出电压是 12V 输出电流 6A、开关频率 300kHz 工作模式我们选择CCM 也就是电感连续导通模式 那么它的过流保护我们选择打嗝模式 首先是电感选择 电感选择首先要计算 电流的纹波的峰-峰值 其次需要计算这个电流的有效值 以及我在电流过流的时候 这个电感不能饱和 那么在 size 和 cost 之间 选择一个最优的电感 那么对于升降压变换器来说 通常在 Boost 也就是升压模式时候 这个电感上的输入电流往往要 大于它在 Buck 模式 当输出电感时候的这个电流 因此计算的时候 是以这个 Boost 最低输入电压 以及最大负载去来算这个电感的感量 以及它的所需要对应的电流有效值 那么可以看到 在我们这个设计例子中 我们最终根据 20% 到 40% 这个纹波量 来取到了一个 4.2μH 的电感 那最终选择一个 4.7μH 的 那再对应到这个电感量之后 不同的输入电压可以看到 在 6V 的时候 我这个电感上的纹波电流就是 2.1A 那 24V 其实它已经工作在一个 Buck 模式 那它对应出来的 纹波电流是 4.3A 到 42V 的时候 它对应出来是 6.1A 那么除此之外我们要看一下 它这个电感的饱和电流需要大于 首先是要大于我这个 满载 1.5 倍以上的这个峰值电流这个值 那也就是说当我整个变换器 已经快到 OCP 的时候 它这个电感的饱和电流要比这个还要大 因此需要选择大于 21.6A 的 这个饱和电流能力的电感 其次我们来看输出电容选择 首先需要考虑的是输出电容 上面走过电流有效值的最大值 那通常来说 当整个升降压工作在一个升压的 这个工作模式下 输出电容走过的纹波电流是最大的 这个时候等于 IO·√D 那算出来是 6A 那么再者我们需要去算一下 这个输出电容上的纹波电压 能不能满足负载要求 那纹波电压由两部分组成 一部分是由阻性 阻性 ESR 流过的这个纹波电流 形成的纹波电压 这个时候对应的 5mΩ 的 ESR 是 60mV 其次是它的容性 由它的纹波电流经过这个电容 形成纹波电压 那对应于 330mF 的这个容性输出电容来说 它对应出来的纹波电压是 30mV 因此总的输出纹波电压是 90mV 那输入电容选择和输出电容 其实是一个相对应关系 那么首先如果需要考虑 它的最大的走过的电流有效值的话 它是工作在 Buck 的时候 走过电流有效值最高 那等于 IO·√D(1-D) 那算出来是 3A 其次同样也需要算 这个纹波电压 纹波电压同样的是由两部分组成 一部分由 ESR 形成的纹波电压 对应于 25mΩ 的 ESR 电容来说 它上面的纹波电压是 150mV 那对于 68μF 的这个容值来说 在它上面形成的纹波电压是 75mV 因此总的纹波电压是 225mV 刚才我们就介绍了 功率级的被动元器件的选择 那我们下来看一下 控制器被动元器件选择 首先我们看一下那个斜坡补偿电容 那么我们之前已经提到过了 这个升降压控制变换器 它有两种电流控制模式 一种是峰值电流 对应的它是工作在 Boost 的一个升压模式 一种是峰谷电流控制模式 对应于它在 Buck 模式 那么大家一般都知道 在峰值电流控制模式 当占空比大于 0.5 的时候 我们需要加入一定的合适的斜坡补偿 使得整个系统稳定 那对应于这个峰谷电流控制模式 它其实是和峰值电流控制模式 是一种对偶的控制方式 那么也就是说 当我们的占空比小于 0.5 的时候 我要加入一定的斜坡补偿 使得整个系统稳定 那对于峰值电流控制模式来说 我的最佳的斜坡补偿的斜率是等于 我的电感的下降斜率 对应到 Boost 的工作的时候 是 (VO-Vin)/L 那对应到峰谷控制的 Buck 来说 我的最佳补偿斜率是电感电流的上升斜率 也就是 (Vin-VO)/L 大家可以看到左边和右边 其实除了符号上有不等以外 其实它的绝对值是相等的 这个正好使我们 LM5175 可以适用于 同一个这个补偿参数 使得整个控制器 无论工作在 Boost 还是 Buck 模式 都能达到系统的稳定 不再有这个次谐波的震荡 那这里 CSLOPE 给过一个公式 那等于这个 gm(slope)·L1/RSENSE·ACS 是它的放大倍数 这边可以算出来得到 235pF 根据我们刚才选的 4.7μH 的电容 那么一般说来 我们会选择一个较小的电容 因为较小的电容 能适当地增加这个斜坡的斜率 使得整个系统有比较强的抗干扰的能力 那合适的斜坡补偿 系统稳定的条件之一 那除此之外 我们也要设计一个比较合理的补偿参数 使得系统也能在一个既快速又稳定的状态 那么我们可以看到 因为系统会工作在 Boost 或者 Buck 状态 因此它系统的这个极点会有所不同 那 Boost 的系统极点是 Buck 的两倍 在这里面我们可以看到 Buck 的系统极点是 200Hz Boost 是接近 400Hz 那么同时他们有同样一个 ESR 形成的零点 那在这边我们可以看到 零点在 80kHz 那最大不同就是 当整个系统工作在一个升压模式 Boost 模式的时候 它会有一个右半平面的零点 这个才是限制我们 选择合适穿越频率的一个最重要的依据 那在这里面 右半平面零点的频率在 负载最重、输入电压最低的时候 它的频率最低 那这里我们可以看到 它的最低的穿越频率点在 16.9kHz 因此我们在这里 选取 4kHz 作为我们目标穿越频率 当我们选取好一个 我们的目标穿越频率之后 我们可以用这个目标穿越频率 来计算我们这个2型补偿器中的 RC1 这个 R 值 那么通常来说第一部分 其实是我这个运放在这一点所需要的增益 乘以我的分压比 再乘以我系统在 4kHz 左右的增益的倒数 那可以算出来 我这个 R 的值约等于 10.9kΩ 那么在这里我们可以刚刚看到的 我们 Boost 的系统极点在 400Hz 那么我们第一个零点是补在 1kHz 那这样可以得到 我的零点所需要的这个零点电容是 15.9nF 那同时我要补偿这个刚才 ESR 形成的零点 那么我们这个时候 系统的这个补偿器的极点 我们就把它选取在这个 ESR 的零点 得到了 106pF 这个电容 通常来说无论是用纯陶瓷电容 还是这个电解电容 我们都需要加这个高频极点 去抑制这个系统中的 noise 那么整个系统补偿完之后 在频域里面显示的幅值和相位的特点 就像这张 slide 里面 show 的一样 我们可以看到在 Vin 等于 6V 的时候 它其实这个系统里面 就有右半平面零点的存在 就是说让它的穿越频率在 2.8kHz 然后它整体的 Phase Margin 会有 63° 那么在 Vin 等于 18V 的时候 它工作在一个 Buck 这个时候右半平面零点就不存在了 这个时候它穿越频率会稍微高一点 在 3.5kHz 那它的 Phase Margin 是在 71° 左右 当所有参数都决定完成之后 我们就可以形成这张原理图 包括我们刚才选的电感 输出电容、输入电容 以及我的补偿 SLOPE 以及我需要的输出电压 那么还包括我设定的频率 我需要它工作在 CCM 和 Hiccup Mode 以及我所需要的 Soft-Start 所有这些都已经完成 这就是一个 LM5175 基于 6V 到 36V 输入 12V、6A 的原理图 以上就是基于 LM5175 四开关升降压变换器 主功率以及控制原理图的设计和计算 感谢大家的观看和收听,谢谢
课程介绍 共计4课时,40分51秒

深入了解升降压变换器家族

讲师

讲师: 李竹筠

2007年毕业于南京航空航天大学,获得工学硕士学位。有多年的开关电源及其相关技术的设计和开发经验与2013年加入德州仪器半导体技术(上海)有限公司,现主要负责LM系列电源产品的应用和推广。

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新文章 手机版

站点相关: EEWORLD首页 EE大学堂 论坛 下载中心 Datasheet 活动专区 博客

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved