新一代Fly-buck变换器及同步升压降压控制器的介绍 (2)

接下来同步整流的BUCK-BOOST LM5118和25118 我相信如果在做工业的话如果你在做汽车 或者有一些工业的地方那可能已经用到这个芯片了 5175其实就是它的下一代产品 那个因为不是全同步整流的这个是四管全部同步整流的 所以对5118来说它做的功率一般来说40瓦 30瓦 主要是因为二极管发热比较厉害 但是因为5175的话可以做的功率可能更大 我们参考设计可以做到100多200瓦 什么地方才会用到BUCK-BOOST呢 简单来说 常见地方就是说 加入系统里面有电池这个电池是备份电池 但是你要插一个adapter 那你插adapter它其实就是一个BUCK的范围 对于你的电池它就是一个BOOST的范围 但是沒办法 有时候你插了电池供电 所以你的输入电压范围就变得比较宽 此时的话你需要BUCK-BOOST 还有一个情况是 我实际上就选了24伏的adapter插件 我其实就是一个BUCK 但是 因为我要过一些认证一些标准 我的输入电压范围比方说就是10到30伏 我的产品就需要满足10到30伏的adapter 客户可以选择我推荐的adapter客户也可以随机在市场买一个 满足我产品电压范围的adapter就可以了 所以此时如果出现 我在输入的地方就需要一个BUCK-BOOST 再一个就是在汽车里面我们知道汽车的电池 它其实供电范围很宽 尤其是在冷车启动的一瞬间你的电池电压会跌落地比较多 因为内阻比较大 跌落比较多 这时就需要一个BUCK-BOOST 基本上就是这种 这些场合 一般来说 在工业里面对BUCK-BOOST功率 要求还是比较高的因为这种BUC BOOST一般放在 第一级 对功率要求比较高 刚刚讲了几种范围就是它输出的话 一般 我看到有一些客户他比方说做一些产品 因为他不是做终端产品比方说他做一个电源 或者什么东西给他的终端客户的时候 就会出现这种情况 就是说 我需要一个旋钮或者什么 有一个MCU或什么 我发一个东西 让我的输出电压可调这时候你可能也会遇到升降压的情况 此时也需要一个BUCK-BOOST 这边就是几种不同的应用了 这个就不需要仔细讲给不同的东西的应用 尤其是 这边TAB C的地方现在TAB C很火 包括这种 Fast Charge这种东西 它的输出 它的电压 5伏 9伏12伏 20伏 这些都是可调的 那你输入电池的电压 如果镉电池 那还好 因为就是BOOST 那还无所谓那如果你液晶电池 铅酸电池 电池电压比较高的时候 你就需要一个BUCK-BOOST就是后面这个东西 这一边主要是一些不同的应用场景 这个地方就不详细地讲了 其实有人问到我就是说 其实BUCK-BOOST相对来说成本比BUCK和BOOST贵一些的 有人会说 为什么我不用BUCK并联一个BOOST好了 但是存在一个问题比方说我输出现在12伏 我输入现在是11伏或者输入就是12伏 那你是让BUCK工作还是BOOST工作 还是两个都不工作或者两个都工作 对不对 这是一个问题那你怎么去控制 其实把它合并起来之后最难的地方是什么 就是在那个零件的地方 我到底是让BUCK工作还是让BOOST工作 还是都工作 还是都不工作 这就是最难的地方 合在一起的话这些优点就不说了 因为 合在一起的话整个的size都会小很多 其实它整个的成本也其实因为你共用了一个电感 所以呢 整个的成本还是比分离的要便宜一些的 这边讲了几个BUCK-BOOST的拓扑 SEPIC这个拓扑用得不多 但是在某些精密的地方会用到这些东西 当电流不大的情况下因为我们知道 SEPIC这块有一个 电容它这个电容是要流过主功率电流的 此时这个电流会比较大然后损耗会比较大 所以这个应用的场合其实我感觉不是那么多 用在小电流的地方可能会好 而且这个电容要求比较高可能需要一些COG的电容 因为对于损耗比较高它发热比较厉害 对于可靠性要求比较高 那返机来说它里面也有一个变压器 当你不需要隔离的地方你用这种其实也不是很好 然后 它有漏电流 所以还要RC就是漏感你这个电流还需要前位什么的 也都不是太好 所以对于一些不隔离的地方其实这种BUCK-BOOST的话 这种有些人就会問说BUCK-BOOST输出不是负压吗 为什么你输出是正压 这个和传统课本上讲的BUCK-BOOST不太一样 它就是一个四管的BUCK-BOOST 对于5118来说的话它以前设计的时候 它是工作在 就是BOOST模式和BUCK-BOOST模式 意思是说当你在升 因为它是工作在BUCK模式和BUCK-BOOST模式 所以当你在升压的时候 它是工作在BUCK-BOOST模式 有一个最常见的概念大家需要清楚 就是对于BUCK-BOOST模式来说 BUCK-BOOST电感电流等于多少 我们知道 对于BOOST来说它的电感应该在输入侧 所以它的电流等于多少 等于输入的它的频率电流等于输入电流 对于BUCK来说 它的电感在后边 所以它的电感频率电流等于输出电流 但是对于BUCK-BOOST就不一样 BUCK-BOOST来说应该说BUCK-BOOST是怎么运行的 这两个MOS管开通的时候 你看 输入电压夹在这个电源上 左边输入 右边是零 续流的时候怎么续的这两个MOS管全部关断 这两个二极管来续流 左端输入就是零右边就是输出电压 所以说会出现一个什么情况 所以出现一个什么情况左右两边的电流怎么样 MOS管和二极管电流都是断续的 那就会导致大家可以去算一下 就会导致 这个电感电流它就等于输入电流加输出电流 它的频率值 那对于一个比如说12伏转12伏 5安培的 输入是5安培 输出是5安培 电感平均电流就是10安培 再加上纹波 你就要12安培 选一个电感需要多大 15安培 17安培 你这个就会比较大一些 但是对5175来说它因为要做更大的功率 但是当功率比较小比方说输2安培 3安培的时候 这个电感还是比较好选的 其实没什么关系 但是当你因为二极管成本比MOS管小一些 所以它对于低功率的情况下的话会比较好一些 但是对于大功率来说比方说我刚刚说5安培 10安培 这种情况来说的话你的电感电流非常慢 所以选的电感也会比较大 那它这个运行在什么模式呢它运行在一个 BUCK模式和BOOST模式 当BOOST的时候呢这个就完全关断 这个就完全开通 我这边你看 这就是一个BOOST 当我用BUCK模式的话 这个完全关断 这个完全开通我这边这三个就组成了一个BUCK 它的整个纹波它的平均电流就会降下来 这一页的话 就是我提到的基本上就是 随着电压在不同比例的关系的话 5118它的和SEPIC这种电流就会比较大 所以 当你功率比较小的时候 5118 功率比较大的时候 5175 这边是有一些因为对于这种看起来比较简单 因为功率比较大的时候它和一个 比方说一安培 比方说 5伏 转3.3伏 1安培 和12转5伏 1安培的DCDC 还是不太一样 因为比方说对于小功率的那种东西 你可能画一个原理图你可能马上随便 画一个PCB好像就可以正常跑了没有什么问题 但是当功率比较大的时候它对于PCB layout的要求 对于整个参数的设计 去耦电容的布局 这些东西都要求比较高 所以TI做了很多这种Reference Design 大家在设计这些东西的时候我还是比较建议 大家去TI Design上去下载一下那些东西 去参考一下那些东西因为是别人做过的 实际上已经测过了是没有什么问题的 所以大家参考对以后的工作会有很多帮助 这边是根据不同的功率等级选择了这几种拓扑 这边是5175的这些刚刚其实它的运行模式 都讲了 重点还要讲的它有一个很好的特点 feature 是什么feature 我们看这边 这边有一个IS-和IS+ 然后呢你看这一块输出电容的后面 这一块小一点的电阻10毫欧的电阻 这个电阻干什么呢 这个电阻干什么呢 限流 这个做恒流用 就是常见的 比方说我后面要给一个铅酸电池充电 或者是我短路的时候 OK你可以短路 对不对 短路的时候我要输出电流 输出电压等于零 其实比方说跑个10安培什么的 没有关系的 对不对 但是在某些系统里面有一个什么要求呢 短路电流的峰值不能超过某些值 我们知道DCDC里面都是有什么东西呢 有cycle by cycle的限流点大家应该都知道的 你仔细去看系统里面cycle by cycle的限流点 其实是比较宽的 那个cycle by cycle用来干什么呢 用来限制我整个系统不被打死 但是它很难去控制说 我这个输出电流的 因为cycle by cycle它是监测的波 它很难去控制峰值的点要到什么地方 但是如果说 我有客户的系统 它要求短路的时候我的峰值不能超过8安培 那当你在功率比较大的时候 你这个地方 因为我正常输出的饱和电路是多少 是5安培 那我的短路的峰值不能超过8安培 你会发现你cycle by cycle的功能你可以保证整个系统不死 但是你不能保证峰值的地方达不到8安培 这个地方就很好了当我一旦短路的时候 电流的信息就会采到芯片里面 芯片立马就切到电流环的模式 相当于怎么样 我就恒流输出了 比方说我把这块设置完之后我限到7安培 6安培对不对 因为我最大的是5安培 我设到7安培或6安培比方说7安培 我一旦短路了之后 芯片就在一个恒流模式工作 然后输出就是平均的6安培的一个很稳定的 很平均的一个 我测过 所以这个对于那个很有好处 当然这个放在输出如果你放在输入也一样 因为比方说你输入是一个电池或者你输入是一个电源 比方说它最大能提供8安培 但是正常你从输入出一个6安培 那假如短路的时候 它损害会出尖刺那这些尖刺会导致什么 如果你输出电容过大的话它损害的东西Power Supply要提供 它损害的监测会怎么样会把你前面的电源 拉到CC模式 输出电压就会突然跌 所以整个系统会震荡 此时如果有这个功能的话就很好 它就限道防止前面电源进入CC模式 然后来做保护 效果就非常好 关于这一点的话如果后续大家有什么问题的话 可以线下交流或者和TI的一些人来交流这个点 反正对于你们的应用来说非常多我客户当时要了这颗芯片 就是因为我们有这个功能 就是这样 这边是它的一些效率 就是有一个对比它比较难的地方就是在 转折的地方下一页会有讲到它是怎么控制的 除了刚刚说的之外它还有一个短频的功能 如果你不测EMI 你可能感受不到 但是EMI就能感受得到 当监测很讨厌 你过不了这个标准 那你用一个短频就会好很多 这个就是说 在短路的时候 它有hiccup打嗝的cycle by cycle 假如你加了我刚刚说的功能进去的话它就是一个恒定的电流 然后就会好很多 你看cycle by cycle 的点其实是高很多的 假如你没有那种需求的话可能要求没有那么高 比方说你要是做充电的部分 CVCC的模式 那刚刚那个方式就会好很多 这边的话就是这页主要是讲它的模式 因为它这种就是峰值电流模式 我们知道 峰值电流模式怎么样 我电压环出来一个PI调理了之后出来一个孔电压 我怎么产生这样一个呢我把电流采过来 当电流碰到这个孔值的时候 我的带宽比就结束了 我这段是T up的时间这段就是T off的时间 对于BUCK来说 因为你要采上管 比方说这是一个 这是一个BUCK 假如在这个时间段这是一个BUCK的时候 你要采这个电流是比较不方便的 原因是什么 因为这是一个浮点 那你是要有一个 比方说 有一个运放怎么样你才过来调理的时候 它这个共模电压的內压比较高 那我就选择 我就采这个下管电压 但是你采过来下管电压是这样它不是一个上升的 芯片里面做了一个 就是模拟的那个东西 因为我这个芯片 我们知道因为在以前的时候 它这个始终是这样一个三角波 我知道这个峰值知道这个谷值的话 就可以 芯片里面就可以模拟出来上升源的这个 因为我下一个峰值的话我就用当前周期的峰值 模拟下一个周期的峰值这样的话 我就可以得到这样一个 就会得到一个上升的电流波形 然后我再做比较的话就可以实现峰值电流模式的控制 这一页我讲的说 就是刚刚讲的我12伏输入 12伏输出的时候 到底是BUCK工作还是BOOST工作还是BUCK-BOOST都工作 还是怎么样 然后这一页就会讲到这个东西这个图就不看了 我给大家看后面的实验波形大家就会比较清楚了 比方说输出是12伏 当输入是10.5伏的时候 我怎么工作呢 你看这是两个SW 我不管电流 你只要看两个SW点就可以了 第一个在升压的你看这个是10.5伏到12伏 这是一个升压的阶段 它怎么样呢 左边 就是蓝色的是哪一个呢 就是这个SW1 这个是SW2 就是右边在工作 因为在BOOST 所以是 啊对 这个 然后右边是SW2在工作 SW1就没有工作所以它是完全BOOST 当在13.5伏的时候你看它这两个都有在工作 你对输入不输入来说 你看 SW2没有工作 SW1就在工作 那它完成工作在一个BUCK模式 在中间的状态的情况下大家看一下 怎么样呢 左边也在工作右边也在工作 说明怎么样 既有BUCK又有BOOST 所以它实现了这样一个 这样一个模式 所以假如你说 我能实现吗 我可以告诉你 你应该实现不了 因为这个还是很复杂的 好 那这边的话 是抖屏的过EMI的这个就不仔细讲了 它有一个抖屏成你测EMI的整个效果 这边可以看到峰值这个地方可以低了10dB 对于过EMI还是非常好的 这个就是刚刚讲的平均电流的那个东西 就是说 你可以做一个限流也可以做一个平均电流 你可以采输入电流也可以采输出电流 这个都可以的 这边的话就是N1的这些东西 重点的话 我给大家 这边是EVM 我重点的话讲一下这是Webench的一些东西 这边大家都应该比较熟悉了这一些仿真工具啊这一类的 这一块就不仔细讲了我主要讲一下TI DESIGN里面 这个我刚刚有提到 这个EXCEL 我还是对于这种大功率的情况下我建议大家 从网上calculator把Excel表格down下来 然后去做 然后你看到这边它算完了之后 design center完了之后这边BOM和skematic都有 然后对应的EVM的图 PCB layout也有 然后在Excel表格里面你看这边 它会 是这样的 白色地方它就算出了一些参数 BUCK 因为算出来的值不一定是BUCK可以选择的电阻 我取一个临近的值它这个图什么的都会变化 对于你仿真来说什么都会很好 这些 你看比方说 在这个表格里面 它这个效率 它会拟合出来一个效率并且呢 它会对于 有一些客户 你不是要写一些报告吗 我整个的效率是多少这个效率损耗在什么地方呢 你看这个里面 我的MOS管的损耗 我的电感的损耗 我的Fly-Buck的损耗 它这里面都有一个图给你 如果你写报告的话 这个东西就非常好 直接贴进去就可以了 这些告诉你大概怎么改这些东西 它前面都有详细的这些说明 有时候你算出来那个值你就想问 我的值是怎么算出来的 你点到Excel表格上它就会出现那个公式 你去对一下就知道这个值是怎么算出来的 然后这边是PCB layout 对于这边来说的话 其实在大电流情况下 环路其实要求非常高 我的客户在画这些东西的时候我一般都 都会告诉他 你画完之后过来让我review一下你的PCB 因为对于整个环路对于你的电流 你的寄生电容 在这边的话 你看他里面都有 你看我的 因为你电容比较大的时候 你的寄生电感产生的尖峰什么的都会比较高 如果你的环路设计得不好的话 就是最坏的情况就是你的芯片你的MOS管经常莫名其妙就会烧坏 比较简单一点的情况就是你EMI的效果就会比较差 还有就是输出的去耦电容 不好的话你怎么样你的纹波就会比较大 比如5175这一个我第一次去客户那儿的时候 我就随便搭了个东西测了一下 客户说 你这个芯片不能用啊 这怎么用啊 但是其实他因为没有经验他不知道这种大电阻情况下 我输出的电容怎么把我的去耦电容怎么加 我和他一起 把这个设置了以后呢 我们立马就可以把600毫伏的东西降到60毫伏 50毫伏 就可以满足他的需求 除了输出电容对于纹波的测试来说你探头的要求也很高 大家应该知道这个计量图怎么用吧 要加一个弹簧一样的小东西套在前面 使环路最小 千万不要用D回路那个夹子去夹 夹了那个地方说我测出来的那个东西 非常高 这个是什么情况 那你要看到两点 因为输出纹波其实 是由两个部分组成的 你会看到是一个三角波在三角波转折的地方 会有一些很细的间距 对不对 如果三角波比较大的地方的话要怎么办 两点注意的 一个你输入电容选择是不是太小了 第二点 你输入电容是不是选了一个电容 你的ESR很大 对不对这两点都会影响到 三角波的复制 还有一点就是尖刺很高尖刺很高什么原因 去耦电容 去耦电容 有些人说我填了去耦电容去耦电容一般加多大 0.47 0.1 就把它贴到了不得了 对不对 你说我贴了 可是我还不行 又为什么呢 贴的位置不对 因为所有电流流过的地方都要怎么样 都要经过这些电容 经常出现的问题是这样的问题 就是电极电压体积比较大 我电流本来要从这儿往这边流的 但是我这块摆不下了 然后我说 那没关系我这边有一个空间 然后我把电容摆在这儿 然后呢 我就这样画了一下 然后电流就这样流过来了 你说你如果把电流摆在这儿的话 你对这边这个有什么滤波效果呢没有任何滤波效果 所以很多人在这方面还是会犯一些小错误的 大家平时多看一下 我觉得平时在做这种大电流的情况下多参考一下EVM PCB layout 会对大家有一些提示 会好一些 这边它就是layout的位置就不详细讲了 然后 这边TI design我重点强调一下 我还是比较建议大家去注册一下myTI 因为上面的话你一些GUI的软件什么都可以下载 比较方便 TI DESIGN的话 你点TI的官网 在application design的地方 这边有一个TI DESIGN 然后你进来之后 比方说你要5175 LM5175你搜这颗料之后呢 我是截了它有时候会搜出来很多个 我截了其中第一个放在这儿给大家说一下 就是你看这边它有对于这颗料它的应用 然后 它规格是多少 它这边都写了 然后有不同功率你看这个总共多少瓦 300瓦一个功率 然后这边有schmatic 有BOM 然后technical reference里面 就是test result 这边都有写 对于你的设计的过程会有很多好处 好今天基本上就这样