串联电容降压变换器的设计要点

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接下来这一节 我们会重点介绍一下 我们设计一个串联电容 Buck 电路 所需要的一些注意的要点 那么我们前面也提到 串联电容 Buck 电路 它有一个很大的特点 就是能够把我们的 系统的开关频率给 提升到一个比较高的水平 那么就随着 我们这个开关频率的提升的话 那么有几个明显的效果 那第一个就是能够 降低我们整个变换器的尺寸 比如说下面这个公式所描述的 当我们的频率提升之后 就意味着我们的系统 所需要的一个电感 也会下降很大 那么这个时候我们就可以 选取一个尺寸更小的电感 那么第二个就是 我们开关频率提升了之后 我们的在电感 它流过电感的一个纹波电流 那么也会有一个比较大幅的减少 但是同样也会有一个缺点 就是开关频率提升 同样的也是意味着一个更大的开关损耗 因为我们的开关损耗 是跟我们开关频率成正比的 那么我们这里实际上做了一个对比 就是说在同样的一个输出输入条件下 我们做了一个 在不同开关频率的情况下的效率对比 这条深灰线 这条线是一个 2MHz 是开关频率 那么我们可以看到 它的整个开关效率 就是在一个半载的时候 能够超过 86% 左右 然后满载的时候呢 有 83%、84% 的效率点 那么如果说我们这个时候 把开关频率提升到 3.5MHz 那么就这个时候可以明显地看到 它在整个负载电流 它的效率都是会 比我们的 2MHz 的频率会要小的 如果说我们这个时候 把开关频率提升到 5MHz 更高 那么 5MHz 的时候 就是我们的开关频率 是之前 2MHz 的一个 2.5 倍 可以看到在 5MHz 的开关频率下 我们整个系统的一个效率 就相对于 2MHz 的时候 有至少两到三个点的一个效率损失 所以说我们在这个时候 再做一个设计选择的时候 必须要考虑到频率提升 那同样也就意味着一个效率的损失 我们要尽量地选择满足整个系统要求的时候 开关频率能够做到尽可能地降低 那么对于电感对这个效率的影响 我们也做了一个分析 一般的理论上认为 我们一个更高的电感的改变值 就容易增加 我们的整个系统有一个峰值的效率 那么因为一个更大的电感的感量 那么就意味着 我们在电感中的一个纹波电流峰峰值更小 那么就意味着一个更小的磁芯损耗 那么同样的流过电感的一个峰-峰值变小 那么就意味着留给我们整个电源系统 一个电流的有效值也是变小了 第二个有一个常用观点 就是说更小的一个电感 就在满载的时候效率更高 因为越小的电感 那么就意味着我们的 电感的一个 DCR 会越小 那么这个时候因为在满载的时候 往往是由我们的一个导通损耗占主导 所以说越小的一个导通损耗 那么就意味着一个越高的效率 从右边这个图上我们可以看到 这个是我们从一个相同的变换器里面 选用不同的电感值来做出一个比较 那么分别有三个值 包括是 250nH、330nH 跟 470nH 我们可以看到就是 当一个感量越小的时候 那么就意味着它的 在满载的时候效率会越高 那么我们可以看到在满载的时候 效率最高的分别是 250nH 那么接下来是 330nH 再接下来是 470nH 也就是说在这个时候 我们更加重要的是 它的一个导通损耗的值 那么在半载的时候 也就是在 peak 的时候 我们的整个的一个效率曲线 反而是电感量越大的时候 那么效率会越高 那么这就印证了越小的感量 代表了一个越高的峰值效率 第三点也就是最重要一点 就是我们这个串联电容的一个选择 串联电容是我们整个新的拓扑的一个核心 所以说选择这个串联电容是非常重要的 那么我们从前面的分析已经可以知道 就是我们这个串联电容 它实际上是通过我们的 a、b 两相电感 来进行一个充放电的 那么在充放电的时候 会在我们的这个串联电容 会产生一个相应的纹波电压 就是一个 △v 那么我们在选择这个电容值的时候 就保证在我们这个串联电容 它的一个纹波的电压值 是小于整体电压的 8% 那么我们可以从这里看到一个例子 就是一个 10A 的负载 2MHz 的开关频率 12V 输入、1.2V 输出的时候 我们可以根据 在这个串联电容的一个纹波电压值 它的一个在开关周期之内 它的充放电的一个电量 那么所造成的 一个电压的波动这个关系 来计算出我们实际上所需要的 一个实际的电容 那么算出来在这个 设计时里面这个电子就是 1μF 但是我们这里需要提醒一点就是 我们这个串联电容 它实际上在我们整个系统启动的初期的话 需要由我们的芯片来做一个预充 也就是说它需要能够有我们的芯片 在整个电路没有工作的时候 把我们这个电容 先预充到一半输入电压的这个时间 所以说如果说我们设计一个更大的电容 那么就意味着我们这个预充的时间会更久 那么我们这里可以看到 这是我们预充的一个波形图 一个 10A 的充电 那么要给一个 1μF 的电容充电 一般就意味着一个 625μs 的充电时间 也就是说我们的在启动的时候 会有一个 625μs 的启动延时 关于输入跟输出电容选择 那么这个其实跟我们常见的 一个 Buck 电容选择是一致的 输入输出电容选择 基本上都是遵循 输入输出电路上一个纹波电压的选择 对于输入电容选择 我们就要分析它在稳态时候的 一个电压的纹波的峰峰值 那么它对整个环路带宽的一个影响 第三个关于输入电容的影响 需要考虑的就是一个负载电流的跳变的过程 因为我们在做负载电流跳变的时候 我们输入电容往往会储存或者吸收 动态跳变的负载电流变化的过程当中 多余的能量 所以说我们在这个时候 做动态跳变的时候 它的一个技术的指标 对我们整个的输出电压的影响 也需要做一个考虑 那么我们这里有个例子就是 如果是一个 0 到 10A 的跳变 我们电感是一个 220nH 的感值 输出电压是 1.2V 那么我们所允许的 一个输出电压的纹波值是 36mV 在这个时候根据这个 我们在做动态的时候 所需要的一个整体的能量 再跟我们这个整体的 储存在我们输出电容上一个能量 再做一个对比的话 我们可以算出来 我们输出的需要的一个电容 实际上是一个 127μF 的容值 那么对于输入电容来说 根据输入电容在整个开关周期之内的 一个纹波电压的值 来确定我们输入电容的一个容值 那么通常我们一般会设定 我们所允许的 一个输入电路上的纹波电压 是它直流值的一个 1% 对于输出网络的一个选择 那么输出网络 就是说它是能够起到把输出电压衰减到 我们芯片所能接受的一个电压范围之内 一般的话比如说输出电压是一个 1.2V 那么我们芯片所能接受 一个正常电压是 0.6V 那么我们这个时候就需要做 一个 2:1 的衰减 那么对于输出网络 它一般有不同的一个电路结构 最简单的一种就是第一种 就是我们的纯粹一个纯电阻的网络 那么我们这个时候 我们这种电路结构是很简单 那么它也仅仅是起到一个正比例的 一个缩放的功能 第二种反馈网络结构相对第一种 就是在我们的分压网络的电阻上的 上电阻并一个电容 并了这个电容之后 能够引入一个零点 使我们的环路在我们想要的一个频段内 得到一个相位的提升 第三个网络相对于第二种网络会更复杂一些 它是通过在我们的电阻分压网络的上电阻 并一个 RC 网络来形成一个零极点的组合 那么这种组合之后 就是能够在我们电路 环路中引入一个零极点 通过调整 C1 跟 R3 的值 我们就可以配置这个相应的零极点 在不同的一个位置 那么我们在做一个环路补偿的时候 就可以得到一个我们想要的结果 那么第四种相对于第三种 就是在反馈网络这一块并没有太大变化 那么它主要的这样一个点 就是说它在我们的 电阻分压网络的中间节点 跟我们的芯片反馈脚之间 串了一个电阻 那么串了这个电阻之后 主要的一个作用就是 能够跟我们的芯片的 pin 脚上的 一个寄生电容 形成一个 RC 网络 把一些高频纹波电流给滤掉 那么我们通过这四种不同的电网络 就可以得到四种不同的补偿效果 那么我们下面有个例子就是 在一个 12V 输入、1.2V 输出的 电路系统里面 如果我们纯粹用第一种 纯电阻网络的一个结构形式的话 我们可以得到一个 截止频率是 188kHz 然后相位是 37°左右的 如果说我们这个时候用了 第二种的一个补偿网络 那么我们可以把截止频率提升到 196kHz 相位在截止频率点 得到一个比较大的提升 可以提升到 48.8° 第二种网络可以比第一种网络 一个比较明显好处就是 它能够把相位给提升了
课程介绍 共计7课时,42分47秒

串联电容降压变换器的设计

功率密度 高频降压变换器 开关损耗 开关频率 串联电容降压变换器

本课程介绍了一种新型的高频降压变换器,它能够极大的降低开关管的开关损耗,提升系统的开关频率,从而使整个开关电源的体积缩小,功率密度提高。本课程将会介绍此拓扑的各种工作模式,优点以及设计原则
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讲师

讲师: TI_YingyangOu

德州仪器 TI 电源参考设计(PDS) 系统应用工程师。致力于实际电源系统的应用与研究。曾从事数年电源产品在通讯设备、消费电子领域的研发工作。曾在国内外期刊和杂志发表文章4篇,并获得过五项美国专利。拥有华南理工大学电力电子硕士学位。

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