新一代Fly-buck变换器及同步升压降压控制器的介绍 (1)

上午最后的主题是由我们的德州仪器的Max为大家带来的 大家掌声欢迎 谢谢大家 很荣幸来做speaker 给大家介绍TI的fly-buck 和一些buck boost升电压的控制器 因为大家知道 在电源里面 主要分为两大类 就是 隔离和非隔离 在什么地方用隔离呢 这种对于比方说两边的供额差比较大 或者工业的地方 以及比方说有一边是高压信号 但是人手可能会触碰到的地方 比方说家里的抽烟机 洗衣机 冰箱这些地方 它在这些地方驱动的时候 因为人手容易触碰到 如果你不加一些隔离的话 那有时候你触碰的时候 供额电压会对人体造成伤害 所以我们需要加一些隔离的方案 其实FLY BUCK大家应该也不陌生 TI其实推出这种方案应该也有很长时间了 因为FLY BUCK相对于以前老式的FLY BACK 它还是有很多的优势 所有我们目前TI在这个产品上 在市场一些工业客户上面还是用得比较多的 今天主要是讲两个产品 一个是FLY BUCK一个是BUCK BOOST CONTROLLER Fly buck应用的地方比较多 其实大家如果做工业的话 其实我们TI做了一些product design 包括 有一个我觉得比较典型的就是比方说 不管你是做空气压缩机 （听不清）电器 4伏还是什么 如果你需要一个逆电器的时候 常用的比方说你需要一个 6个管子 3条臂的IGBT的驱动 那么你就需要给驱动供电 当给IGBT供电的时候 因为你的MCU不管是2000 还是（听不清） 你一般在低边侧 你的IGBT是高压侧的东西 所以之间去供电的地方是需要隔离的 driver的地方 TI利用fly buck做了一个一路输入 就是24伏输入 3路24伏输出 因为对于一个三线桥臂来说 上面的三个管子 因为是伏区 所以它都是彼此之间隔离的 而下面三个IGBT的话 一个是供地的 所以一个就可以了 所以是需要四路这样一个方案 然后很多客户也在评估 反馈的效果都很不错 这边写了几种应用 包括PCL motor driver EV上面 还有一些比方说对于camera上来说 暗方的这种地方 很多 包括POE里面 其实也都是用这种隔离的方案 这边写的这些大概的应用 对于 fly buck来说后面有一个top 它的灵活的地方就是说 对于你这种输出来说的话 比方说你需要两路输出 那么加两个绕组 需要三路输出就加三个绕组 会比较灵活一些 输入电压的范围还是比较宽的 对于TI现在有100伏输入的 有60伏输入的 不同的电流输出也都有 对于输出来说 选择的范围比较宽一些 这是我们常见的隔离的top 对于比方说更高电压的 可能比方说 硬开关全桥 （听不清）全桥半桥这种 但是 对于这种 对于小功率 中小功率来说 比方说基本上在100瓦以下的范围的话 返机用的是比较多的 比方说100-300瓦这个范围里面 正极用得比较多 但是正极因为有一个磁复位的绕组 所以需要续流的二极管 如果你为了提高效率 还要用一个同步整流的话 整个成本是比较高的 所以在小功率的地方 我们常见的都是 fly buck 对于目前在这种低压来说的话 小功率地方来说 因为比方说驱动一个整个的IGBT的驱动 或者是提供一个辅电 其实它的整个的total的功率都是比较小的 所以的话 这种FLY BUCK就有它的优势 后面可以看到 它从整个的拓扑所使用的器件上来说 都会小很多 整个成本和器件的那个 基本上这是一个功率应用的地方 这边的话讲FLY BUCK真个的拓扑 大概是一个什么样的东西 左边这个就是我们常见的 我们其实可以把对于FLY BUCK的理解 可以把它分成两个部分 下面这个部分就是一个传统的（听不清） 你看这是一个上关不是一个下关 这个它的电压 然后是输出电容 这就是一个传统的buck 对于复边来说 无非你就是加了一个反向的绕组 组成了这样一个东西 下一页应该是有它运行的一个过程 这边我们可以看到 你看这边像反机一样 它是一个 它是一个反向的（听不清） 当我BUCK的上关开通的时候你看我加在左边的（听不清）电压是正的 所以我右边是一个正的 由于输出这边二极管是（听不清）的 所以输出并没有电流的 当我上网关断的时候 下网开始续流 我下网续流的时候 这边是一个正电压 所以这边是一个正电压 它就会输出一个电流出来 它有一个什么样的特点和其他的 是不是说大家会问 是不是同步整流的buck都可以做一个fly buck 其实是不可以的 我们看一下这边的电流 因为在整个的（听不清）时间 我们知道在（听不清）的时间 我是（听不清）导通的 在（听不清）的时间是下面导通的 我们看一下圆边的定杆 电磁电感 在DT的时间 也就是（tom？）时间的时候 它加的电压始终是左边是输入电压 右边是输出电压 当上网关断的时候 它那边一直加的是D 我们看到 它在整个（听不清）D的时间 它整个的电流可以是反向的 所以它原来加的是（听不清）D的时间 那么我们对于变压器来说 我们可以把它等效成一个（听不清）电压和 一个理想电压器的并联 对不对 那也就是说 它的励磁电感应该等于什么 应该等于它远边的实际电感量 对于远边的电感来说 你看它是不是一个完整的同步整流的 叫（听不清）DPWM 也就是说 对于普通（听不清） 一旦电流断区的时候 如果这里是URG 电流是不能反向流的 所以圆边电感加的 在（听不清）的时间加的时间不是 （听不清） 过去了之后 它不能反向 所以真是的时间要比（听不清）D的时间小 但是它现在是一个强DPW 它永远是这样 所以圆边的电感电流 你看 永远是一个很线性的 三角框 它上升的斜率等于多少 等于输入电压减去输出电压除以电感量 它下降的斜率等于多少 等于圆边的输出电压除以电感量 这就是它的斜率 所以等效励磁电感上的电流的话 永远是一个三角波 在放电的时候 复边的电流 我们可以看一下 等效（听不清）的话 就是 因为圆边有一个漏感 复边和圆边的其实是相同的一个绕组 漏感和输入输出电容之间会有谐振的关系 所以这是复边实际输出的电流 因为电流在这个峰值点的位置的话 其实与很多东西有关系 一个与漏感大小 输入输出电容的东西有关系 我们在实际计算的时候 比方说我在选电流能不能饱和 从什么时候饱和的时候 怎么算呢 我们大概估一下 我们可以把它当一个三角波来估 因为放点的时间 这个（听不清）D的时间是固定的 我如果当成一个三角波 比方说你输出电流500毫安 你就要除以（听不清）D的时间 就是三角波的峰值 三角波在（听不清）D时间的平均值 再乘以RGU输出的峰值 然后再通过（听不清）的关系 比如算算圆边 再 加上（听不清）电容 就是实际上流过mos管的电流 这样就会出现一个问题 就是说 圆边的电流实际上流过mos管电流是有反向的 在这个点 你看到有一个反向的电流 对于普通的DC DC来说 因为它一般情况下是一个正向电流 反向电流的线有一点很低 所以如果你做一个FLY BUCK 如果它流过反相电流 它很快就会限流保护 你觉得说好像输出了一点点电流 我这个东西就保护了 输出就不正常了 输出电压跌落 是因为它实际上BCBC不是专门给FLY BUCK（听不清）做的 它的反向电流点很低 所以就会出现 但我们比方说 我们的RM5017 RM5160这些专门做FLY BUCK的这种 它把反向电流限流点都设得比较高 所以实现这种拓扑是没问题的 关于这页 这页主要是一个 大家看到的也比较简单 整个的控制也比较简单 比方说 输出 那实际上控制是怎么控制的 这个东西 比方说我现在输出 这边 输入是5伏 输出也是5伏 我怎么控制的 那它其实就是控制圆边的 圆边的这个边 电阻分压之后 到我这个芯片这边 然后产生比方说3伏 2.5伏 我通过（听不清） 然后得到 大家注意这边有一个二极管 减去（听不清） 对不对 它实际上会稍微有一点点 因为复边我们看到是开环的 所以稍微有点tolerance 在实际工作的时候 对于driver来说 其实要求没那么高 对不对 如果说 我需要复边跟隔离的地方需要很精准的电压怎么办 其实和返机这种一样的 就是我加一个TR431加一个（听不清） 把复边的电压反馈到（听不清）来 加在圆边的SB上 这样我们就能得到一个很精准的电压 关于这些东西的话 我们TI都是有完整的参考设计的 包括fly buck flybuck boost 还有复边反馈的fly buck我们都是由完整的参考设计 如果大家有需要的话 可以找TI的人提供这些参考设计 供大家设计 这也是讲了 因为刚刚讲的东西都来自这条产品线 叫NPS （听不清）POWER SOLUTION 然后它这边这些产品的话 主要有buck regulator 它把上面的mos和下面的mos都集成在里面 还有一些DV controller 像5117 这些东西都是mos外置的 所以这些东西都可以做一些相对来说功率大一些的东西 比方说 像5117我在客户这边用得比较多 比方说做24伏转12伏输出 做100瓦200瓦的的东西 这些东西都可以做 没有任何问题 然后可以做一些控制 一些地方 FLY BUCK这边基本上就是用一些隔离的小功率的一些地方 还有像5160 之后推出的5165 早上应该讲过 可以做一些transmitter之类的 电路比较小 效率非常高 这些产品 这边的话有一些 非同步的一些 比方说 这边有 buck boost controller 还有5175 一会儿要讲到的同步的buck boost controller这些东西 还有一些这种voltage reference这些大家可能都用得比较多 那提供一个电压（听不清） 或者作为一个小的电压源来使用 提供一个精准的reference 那它根据不同的精度 有不同的分类 这边是刚刚讲到的 5017 5018 5019 从这个图上大家可以看到 大家可以看到这种（听不清） 另外我看到有人在画这种东西的时候 经常 这个地方 这个（听不清） 就是有些人在使用的过程中说 你的原理图中画了二极管 这个二极管到底需不需要 这个二极管是用来做什么的呢 很多（听不清）其实都有这个二极管 它是用来做什么的呢 因为是这样的 你输入的是一个（听不清） 这个（听不清）里面其实它是一个LDO 因为芯片其实要供电的 但是芯片的控制电不可能加100伏 或者加一个80伏 在这个芯片中间 所以他里面做了一个LDO 这个VCC（听不清）的电压是可以查到的 如果说假如耗了1毫安 假如这个芯片耗了一毫安 然后假如是80伏的压差 那这个损耗就很大 这个芯片发射比较厉害 所以比方说输出是12伏 9伏 10伏 你如果通过这边的话 当VCC的输出电压高于某个值 （听不清） 相当于这个芯片的供电就从layout上面来供电 所以这个可以有效降低芯片的发热 它主要是这个原理 不光这个芯片 很多芯片里面其实都有这样的设计 所以比方说如果你的输出电压是3.3伏 那么你这块的二极管其实就可以不要了 因为你的3.3伏根本达不到 VCC（听不清）的电压 threshold 所以从成长上来考虑 设计的时候 这边就可以去掉了 （听不清） 基本的原理也比较简单 COT的（听不清）补偿 相对来说控制起来 在设计方面的话 都比较简单 而且体积也很小你看 你看到这个体积 整个的（听不清） 这边的话 这个功率的话 就是它的限流点会更大一些 可以到1.5安培 这边这块提到的是比方说你有两路输出 那你就做两路 你有三路输出 就做三路 其实你看到 这个芯片和fly buck最大的区别是什么 返机的时候 我们知道返机的芯片一般要做一个什么东西啊 它圆边要做一个（听不清）给芯片供电 因为芯片它一般提供的（听不清）没有那么高 加入对于一个比方说 你是一个40伏输入 50伏输入 甚至48伏输入的这样的一个地方 你如果用这种东西的话 就会很好 你看 比方说 你要两路输出 那你其实（听不清）三个（听不清） 如果对应反之的话 你至少需要四个（听不清） 这样的话 从（听不清）设计上面（听不清） 比较小而且比较低 而且它的（听不清）频率一般会 比（听不清）会高一些 所以这个变压器也会比较小 比方说我有客户做这个（听不清）就是（听不清）的电源 他们都选择我们这种拓扑 因为他本来想两路输出的 但是因为他对体积要求很高 你是用返机的方式 那你需要4个绕组 这个（听不清）板上就很难（听不清） 控制 这边是它的一些性能的比较 返机和正机 刚刚提到是说 如果一路输出 我只需要两个绕组 但是我这个一路输出的话 我就需要三个绕组 因为它需要一个辅助绕组 对于传统的返机来说 它是不能圆边控制的 就是低压的返机 我们看到 它其实 都是加了一个T2431和（听不清） 对于整个成本上会高很多 整个体积也会高很多 后面应该有一个比较 这是FLY BUCK的整个（听不清）用返机的话 整个size会大很多 它会多很多器件 这边是罗列了TI目前的几款产品 关于FLY BUCK的 之前的话 5017 5018 5019 相信上海的很多客户都接触过这几块layout 在你的应用里面可能都有涉及到 因为它的电流的话 是500毫安 300毫安和100毫安 它其实都是pin to pin的 这是比较好的 因为你可以根据不同的功率等级 选择不同的芯片 5160的话 做的电流会大很多 对于像5160 我刚才提到在IGBG的 驱动的供电上 我们有参考设计的 如果大家感兴趣的话 可以在我们官网上搜到 TPS55010它是一个低压的产品 我们看到 它主要是用来做那种 比方说 （听不清）做供电 你两边都需要供电 你从5伏转5伏这种 或者5伏转3.3伏这种 它就提供这样一种应用的场合 基本上下面这块划分了它使用的区间 这边的话 是讲了这几个产品的大概对比 5160在5017上面哪些好处 这边重点强调一点就是 DCM 和CCM的 区别 我们刚刚讲到比如说 因为这里面有一个上关一个下关 因为电流会反向 所以如果你是选择DCM的话 它如果器件检测到电流反向的时候 它会怎么样把二极管关掉 这种模式用在什么地方呢 比方说你不适合返机 但你是一个用在一个（听不清）中 用在一个（听不清）电路的话 我们知道 它如果强制CCM的话 你在空载或者半载你一直有反向电流的话 这样它的损耗会比较高 所以 包括我们在一些 比方说 输出只有100毫安 50毫安 1毫安这种地方的话 我们一般还是选择DCM 就是让它不要有反向电流 所以我们常见看到芯片会出现怎么样 （听不清）的模式 所以（听不清）的话 输出的纹波会稍微大一点 比方说正常输出是 10毫伏 在（听不清）的时候可能会跑到30毫伏 但是一般 空载情况下 这种满足你的需求了 加入你对（听不清）要求很高的情况下 那你后面可以加一个比方说 LCD波 因为电流此时非常小 如果说你觉得M5就需要CCM 那你可以选择它强制CCM 这应该是一个FP WMP来设置这个东西 但是5017这块 它没有做这个功能 它是强制的CCM 所以如果你在用（听不清）的时候 相对来说效率可能会偏低一些 在这一页的话 在它有一个更新的地方 就是 有一个叫输出的（听不清）compensation 我们知道 COT的模式 它其实是同一个叫（听不清）的模式 演变过来的 实际上 它在（听不清）里面 是来测试（听不清）波的 如果我们正常的那种PWM波 就是我电压的积分 通过三角载波 我们的COM和这个三角载波产生（听不清） 这是我们普通的这种（听不清） 对于这种（掷还？）的话 它是 普通的（掷还？）它是上下两个线 它是产生电流过来的信息的话 纹波信息碰到上限了之后 （听不清） 当纹波信息碰到下线的时候 它再开通 对于COT的话 它是开通一个固定的上升 开通一个固定的上升的话 等到 这叫（听不清） 就是你开通一个固定的上升 然后 它就关断 所以它在（听不清）的时间的话 它就要等纹波碰到我的reference的值 所以它reference的值是控制纹波的是怎么样 是控制纹波的最低端 但是纹波的话 因为三角波的幅值 会随着负载 输入输出电压的变化会有一点变化 所以当你在整个附在的情况下 圆边的电压 稍微有一点点变化 但其实你看到 变化也是非常小的 TI在这个芯片里面 一般来说 对客户的使用来说没有什么问题 但如果你对精度要求非常高的情况下 你看这个里面 它做了一个correction 就是 因为纹波虽然发生变化了 （听不清）reference的值比方说也跟随着调整一下 应该说 基本上 输出电压是 纹波的平均值加上reference 我现在比方说纹波变大了 频率往上抬了 那我reference往下抬一下 可以补偿你的 所以输出的精度就控制得会比较好 从整个效率上来说的话 效率还是保持得比较高的 因为这一块的话 主要是因为 你实际上整个的功率还是比较小的 所以开关损耗始终保持在那里 在这种功率等级情况下来说的话 效率还保持得是比较高的 那整个复边的 你看线的输入 随着输入电压的变化 它输出的调整率还是控制得很好的 这边的话主要是一些在线的工具 TI其实有很多 我比较建议大家 在用 这些复杂的产品的时候 有几个工具推荐大家使用 第一个是我们的（听不清） 在网上我现在看到很多客户其实已经很熟练地使用这个工具了 第二个工具就是Excel表格 在（听不清）你选一个 器件的时候 你在software那边 下面你就会看到一个calculator 你下载完了之后 那个东西的话 它里面就是一个Excel的表格 Excel表格黄色的部分 就是你可以自己填的部分 比方说你自己的电压电流的信息 什么东西 你都可以填的 它会选出来 实际计算出来一些东西 在这些表格里面 除了具体参数的计算 关于环路的（听不清）频率 它也会有一些拟合 效果也是很不错的 因为这个工具都是 设计芯片产品线的人写的 所以精度还是相对来说比较高的 我对于这个东西的使用频率是很高的 我还是比较推荐大家使用的 再一个的话 什么工具呢 叫TI（听不清） 一会儿我在网上告诉大家怎么进入TI（听不清） 因为TI设计了很多这种东西 你进去之后 会根据不同的这个 因为复杂这个芯片 实际上在设计的时候还是有很多问题的 画了原理图 但实际上 你真的再去调的时候 你发现好像 原理图都是对的 但是你上面就是不对 然后你也不知道什么问题 那可能是你 期间选择稍微有点问题 或者你（听不清）有些问题 或者有一些小细节你没有注意到 这些TI（听不清）它有完整的原理图 PCB（听不清）test result 这些东西都包含在里面 对于大家的设计会有很多好处 这边的话就是一个设计 我就不讲那么详细了