DC-DC基础知识介绍

大家好 我是德州仪器的模拟应用工程师 Jason Fan 我目前负责同为上海和太仓的模拟产品技术支持工作 我平时会发现客户在设计电子产品的时候 会遇到很多关于 DC-DC 产品的技术问题 所以我今天为大家讲一下 如何去设计一款 DC-DC 的产品 首先 我会讲一下 首先 我会讲一下 关于 DC-DC 的一些基础知识 其次 我们会去看一下 DC-DC 的一些小信号模型 DC-DC 的一些小信号模型 和它的环路分析 再者 我会举一些例子 如何去设计一款 DC-DC 的一些产品 如何去设计一款 DC-DC 的一些产品 几乎在目前所有的电子产品中 我们都会用到 DC-DC 来把某一路直流电压 去转换成任意我们想要的输出电压 去转换成任意我们想要的输出电压 如果 DC-DC 设计不好的话 其实对我们整个产品都有很大的影响 这是我们今天所要讲的一些例题 首先 我们会先去讲一下 DC-DC 的一些基础知识 第二个 我们会去讲一下 电流模型和 DCAP2 模型的环路分析 来帮助我们理解系统的稳定性 第三个 我们会去讲一下 第三个 我们会去讲一下 电流模型和 DCAP2 的设计的一些实例 这样可以帮助我们在实际设计应用过程中 所需要注意的某些地方 第四个 我们会去讲一下 我们平时是如何去测量一个环路的稳定性 第五个 我们会去讲一下 PCB 板的一些布板原则 最后我们会去引入一些 TI 的 DC-DC 产品 目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构 目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构 有以下这三种方式 第一种是Buck降压型 第二种是Boost升压型 第三种是Buck-boost升降压型 但无论哪种模式 基本上都是通过开关 电感和电容 这三个元器件所组成 首先我们先看降压型 当我的开关导通打到1档时 我的输入电源会对电感和电容进行充电 同时会给负载供电 此时我的电感由于它是磁性元件 它会产生一个左正右负的一个反向电动势 来阻止电流上升 当我的开关打到2档时 当我的开关打到2档时 这个时候我的电感同样也会产生一个 右正左负的一个反向电动势 右正左负的一个反向电动势 来遏制电流下降 此时我的电感和电容会对负载进行放电 那这样的话我就可以通关过开关 在1档和2档之间的一个导通时间 来控制最终的输出电压 从右边这张图我们可以看到 D就是我们平时所说的占空比 它其实就是ton比上整个开关周期t M就是我的输出电压比上输入电压 所以你可以看到 当我的占空比越高的时候 我的输出电压也是越高的 最终可以达到我的输出等于我的输入 第二种是升压型 当我的开关打到1档时 我的输入电源会对我的电感进行充电 此时 我的负载全部是靠我的输出电容进行放电 当我的开关打到2档时 此时我的电感对电容进行充电 同时也对负载进行放电 同样的道理 我可以通过开关在1档和2档的导通时间 来控制我最终的输出电压 在右边也是它的关系式 当我的占空比变高的时候 我的输出电压也是在不断的上升 最终它会形成一个1除以1减D的一个关系式 第三个是 Buck-boost 这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构 这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构 当然它还有一种结构 是把 Buck 和 Boost 结合在一起的 应该有四个开关在里面 所以这一个我们就不说了 我们先看负压型 其实一样的道理 把开关打到1档 对电感进行充电 然后把开关打到2档 电感对后面的电容和负载进行放电 由于我的电感产生的反向电动势是负压的 所以最终的输出电压也是为负 所以它最终可以产生右边的一个关系式 我们可以看到当占空比越高的时候 它所负压的输出电压也就越高 但我这边要提一点 右边这些所计算出来的公式 都是基于CCM模式 也就是我们平时俗称的连续模式 也就是我们平时俗称的连续模式 如果是在DCM也就是在断续模式的时候 公式会发生变化 这是降压型DC-DC的一个基本架构 它这边是输入电源 开关MOS管 续流二极管 如果是在同步整流里面 我们可以把这个二极管用MOS管来替代 降低导通阻抗从而增加它的效率 这里是输出电感 输出电容 负载 这是反馈电容形成的增益 进入内部误差放大器 和我的参考电压进行比较 同时会输出一个误差信号 进入我的补偿网络 最终形成一个电压控制信号 脉宽调制器里面其实就是我把 脉宽调制器里面其实就是我把 这个电压信号和内部自激产生的一个三角波 进行比较 切割 从而产生一个脉宽的调制信号 通过我的驱动电路 最终驱动MOS管 所以降压型DC-DC是一个标准的 带有负反馈信号的一个控制系统 首先我们先讲一下降压型DC-DC的 第一种控制模式叫 电压型模式 电压型模式的整个控制系统的传递函数 它是由我的驱动极 调制极和补偿极 这三个传递函数的乘积所组成 其中影响最大的就是输出极 因为输出极是由一个电感和一个电容 所组成的一个二阶系统 因为我们都知道 二阶系统它是一个-40dB斜率的一个系统 它会带来一个负180度的相移 会引起系统的不稳定 我们可以从波特图中清楚地发现 在不含补偿网络的电压型控制模式中 由于输出传递函数中带电感和电容的存在 所以它其实是一个二阶系统 也就是说它会以-40dB的一个斜率进行穿越 在穿越频率时所对应的相移是-180度 此时系统引起震荡 如果要改变这一点 我们必须要在 补偿网络的传递函数上面 进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿 进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿 Type Ⅲ 型其实就是一个通过增加两对零点 和两对极点的方式 对某一处的相位进行boost 从而把相位裕度提升上去 从波特图上我们可以发现 在添加了补偿网络以后的增益曲线 我们可以发现 它通过零极点的方式把穿越频率时候的斜率 改变成了-20dB 此时我对应的我的相位裕量 就可以形成40度到90度的相位裕度 但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂 但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂 对应的计算公式也相对来说比较多 所以一般来说 电压型的控制系统 它的补偿设计相对来说会比较繁琐 另外电压型控制模式还有一些不足之处 它相对比于电流型和后面会讲的滞回型模式 它其实对于负载的动态响应 也是会比较差的 另外电压型的模式 它对于输入电压的跳变会受很大影响 所以我们经常会在输入端去添加一个前馈补偿 来抵消输入电压对输出电压的影响 接下来我为大家讲一下 目前市面上比较流行的 电流模式DC-DC控制系统 它和电压模式最大区别在于 电流模式它是由一个大电压环里面 嵌套了一个小的电流环 它是将电感上面的电流反馈回来 和误差放大器输出的信号进行比对 来输出PW信号进行驱动控制 也就是说在这个系统里面 电感是属于下面这个电流环里面 也就是说对下面这一个区域来说 就是一个恒流源 从左边这个等效电路图中我们可以清楚地发现 这里的VC就是误差放大器输出经过补偿网络后 所输出的一个误差控制信号 由它去控制内部的电流环 而电流环其实是包括了电感 所以它等效成一个恒流源 由这个恒流源输出给外面的 负载和输出电容 而包括了电感的恒流源 在传递函数里面它其实是一个系数 所以没有电感的存在它其实就是一个一阶系统 而对于一阶系统 我们的补偿相对来说就简单地非常多 我们可以通过Ⅱ型 甚至是Ⅰ型的补偿网络来进行补偿 而且补偿设计也相当简单 而经常在Ⅱ型的补偿网络中 我们这个C3也可以不需要 只要通过R2和C1就可以进行补偿 由于前面所讲到的电压模式和电流模式 它们都是一种传统的线性调制方式 所以它整个系统的带宽 其实是受限于反馈端的误差放大器的带宽 所以我们经常会添加补偿网络 来改善整个系统的带宽 而提高响应速度 所以为了改善这个限制 就发明了一种新的控制方式叫迟滞模式 迟滞模式其实工作原理非常简单 它其实就是通过输出电压和分压电阻的比较 形成了一个分压信号 和下面的基准电压进行比较 这个基准电压 可以是上基准 也可以是下基准 也可以是一个窗口基准 比较后的一个高电平和一个低电平电压 直接去控制我的Q1或者Q2管 来达到电压的稳定 所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于 所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于 它这里是一个比较器 而不是一个误差放大器 而我们知道比较器的翻转速度 而我们知道比较器的翻转速度 是要远远快于误差放大器的 所以迟滞模式的最大的优点就是在于 它对系统的响应速度是非常非常快的 同时也不需要任何补偿 这个波形图很容易解释了 迟滞模式是如何工作的 这里是我一个窗口的一个基准信号 当输出电压低于窗口的下限的时候 这时候会打开Q1管关掉Q2管 让我的电感电流往上抬升 而当输出电压高于窗口的上限时 这时就会关闭Q1管打开Q2管 让我的电感电流进行下降 它就是通过这样的一个控制方式 来使输出电压控制在 所要的一个窗口的范围内 迟滞模式其实又分这三类 第一类是基本的迟滞窗口模式 它其实内部是一个窗口比较器 它又分上限和下限 当输出电压高于上限时 此时 会关闭Q1打开Q2 让电压进行下降 当电压下降超过下限时 此时会重新打开Q1而关闭Q2 让电压进行上升 它始终把输出电压稳定在一个固定的窗口之内 而第二种是固定On-time模式 它只有下限detect 也就是说 当输出电压低于下限的时候 此时我会给Q1一个固定的On-time时间 让电压进行抬升 当输出电压再次低于下限时 我会再重新给它一个固定的On-time时间 第三种是固定关断模式 也就是说 它会规定一个上限电压 当我的输出电压超过上限reference时 此时我会给它一个固定的一个关断时间 此时我会给它一个固定的一个关断时间 去关断Q1打开Q2 而当输出电压再次超过上限时 我会再次给予固定的Off-time时间 进行关断 在这个模式情况下 它只会去规定上限 所以迟滞模式又分这三种 目前 TI的DCAP和DCAP2都是使用的 中间的固定打开时间模式 这里是三种不同不同控制方式的 补偿网络比较 电压型模式它是需要typeⅢ的补偿网络 所以它所需用到的器件是最多的 其次是电流型模式的补偿 它会比电压型补偿会小很多 它会比电压型补偿会小很多 它一般只是需要两到三 然而迟滞模式 如TI的DCAP和DCAP2方式 如TI的DCAP和DCAP2方式 则是不需要补偿网络的 所以说无论是从PCB的设计 layout还是从成本上来看 DCAP和DCAP2模式都是最方便的 最经济的