BUCK电源变换设计

计算过程参照MP2315和MP1482手册

选择电感:

大多数情况下,建议采用1µH到10µH的电感器,直流电流额定值至少比最大负载电流高25%。为了达到最高的效率,电感的直流电阻应小于15mΩ。对于大多数设计,电感值可由下列公式导出。

其中Vout为输出电压,Vin为输入电压,Fs为开关频率,ΔIl为电感纹波电流的峰峰值。

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其中ΔIl为电感纹波电流。选择电感纹波电流约为最大负载电流的30%-60%。

电感最大峰值电流可估算为:

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也可由下面的公式进行计算:

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在100mA以下的轻负载条件下,为了提高效率,建议使用较大的电感。

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选择输入电容

输入到降压变换器的电流是不连续的,因此需要一个电容器在保持直流输入电压的同时,向降压变换器提供交流电流。使用低ESR电容器以获得最佳性能。陶瓷电容器是首选,但钽电容或低ESR(等效串联电阻)的电解电容器也可以满足要求。使用陶瓷电容器时,选用X5R或X7R介质。

由于输入电容(C1)吸收输入开关电流,它需要一个足够的额定纹波电流。输入电容中的均方根电流可以通过以下方法估计:

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最坏情况发生在VIN = 2VOUT,其中IC1 = ILOAD/2。为简化起见,选择有效值额定电流大于最大负载电流一半的输入电容。

输入电容可以是电解电容器、钽电容器或陶瓷电容器。当使用电解电容器或钽电容器时,应将一个小的、高质量的陶瓷电容器,即0.1μF,放置在尽可能靠近集成电路的地方。当使用陶瓷电容器时,确保它们有足够的电容量来提供足够的电荷,以防止输入端的电压纹波过高。低ESR电容的输入电压纹波可以通过以下方法估计:

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选择输出电容

需要输出电容来维持直流输出电压。推荐使用陶瓷、钽或低ESR的电解电容器。低ESR电容是保持输出电压纹波低的首选。输出电压纹波可以通过以下方法估计:

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其中C2为输出电容值,RESR为输出电容的等效串联电阻(ESR)值。对于陶瓷电容器,开关频率处的阻抗由电容决定。输出电压纹波主要是由电容引起的。为简化起见,输出电压纹波可以通过:

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在钽或电解电容器的情况下,ESR在开关频率处占主导地位。为简化起见,输出纹波可以近似为:

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高dv/dt节点面积小,高di/dt环路面积小,大电流走粗线,散热处理好,地电流处理好(必要时分割地平面),

电路设计以及PCB制作中,经常碰见电源符号:VCC、VDD、VEE、VSS、VBAT,他们具有什么样的关系那?

  • VCC:C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
  • VDD:D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
  • VSS:S=series 表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压
  • VEE:负电压供电;场效应管的源极(S)
  • VBAT:当使用电池或其他电源连接到VBAT脚上时,当VDD 断电时,可以保存备份寄存器的内容和维持RTC的功能。如果应用中没有使用外部电池,VBAT引脚应接到VDD引脚上。

DC-DC 常见工作模式

降低待机功耗最有效的方式就是降低开关的损耗和驱动损耗,驱动损耗受材料和工艺影响,开关损耗则是受到开关频率等因素的影响。

三类轻载高效的降频方式:

因为市场对电池寿命有着更高的要求,所以对电源芯片的高效和低功耗相应的要求也就提高了。目前(2021.4.20) 大多数的电源产品在重载时的效率可以达到90%以上,但是当负载降低到mA级别的时候,效率就会下降很多,要提高轻载效率,关键要降低开关频率,减少IC在轻载时的开关损耗。

三类降频方式:
  • PSM-跳脉冲模式

    以BUCK电路为例,最常见的提高轻载效率的方式为跳脉冲模式(PSM) 。即在输出重载时,以连续模式(CCM)工作。当负载电流降低,电源将进入断续模式(DCM) 工作,直到上管的开通时间达到最小导通时间,若负载继续降低,控制器将屏蔽掉一些开关脉冲。 跳脉冲模式相比于连续模式,提高了轻载效率,但是其效率并不如突发工作模式。

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  • 突发工作模式

    突发工作模式是在轻载时上管长时间停止工作,由输出电容维持输出的的工作模式。当输出负载电流降低到一定的值,系统进入轻载模式,上管关闭, 输出电容为负载提供能量,当其输出电压降低使Vc上升达到VH时,进入开关模式。输出电压快速提高,当Vc低于Vl时, 再次进入轻载模式。但由于输出电容的快速充放电过程,也导致了较大的纹波和较差的瞬态响应。

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  • AAM模式

    MPS特有的AAM技术。AAM (Advanced Asynchronous Modulation)技术可以概括为:

    1.电源输出轻载电流时,工作在PFM (pulse-frequency modulation)模式;

    2.在输出重载时,工作在PWM (pulse-width modulation)模式。

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    其工作模式如上图,当输出负载电流降低,Vcomp也会降低,当其直流分量小于VAAM,电源进入轻载模式,所以当Vcomp波动其值大于VAAM且时钟信号开通时,上管开通, 当电感电流达到Vcomp时,上管关闭,直到电感电流降为0完成一次开关周期,当Vcomp值小于VAAM时,上管不会开通。 同时,为了增加抗干扰性,C1引入了VAAM交流迟滞,防止误触发。相比突发工作模式,在保证较高轻载效率的同时,其带来的纹波较小,瞬态响应也更快。

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  • 以上三个模式优劣势的对比:

    跳脉冲的模式的轻载效率相对于CCM模式有所提升,但是效率相较后续两种跳频模式而言没有优势,但具有输出纹波小,瞬态响应较快的特点。

    突发工作模式的轻载效率很好,但输出纹波大而且瞬态响应较差。

    AAM模式具有较高的轻载效率,且输出纹波相对于突发工作模式要小,具备最佳的瞬态响应。

    输出纹波: AAM<突发工作模式<跳脉冲模式

    瞬态响应: AAM<跳脉冲模式<突发工作模式

    轻载输出效率:突发I作模式<跳脉冲模式<AAM (review)

  • 在提高电源的轻载效率的时候需要注意的事项:

    1.关注MOS管的导通阻抗,选用更低阻抗的MOs可以有效的降低导通损耗。

    2.选择更低DCR的电感,更低ESR的电容, 可以有效的降低输出纹波,降低在无源元件上的损耗。3.电感要关注电感材料,合适的电感材料可以有效的降低电感上的铁损和铜损。

    4.选用在轻载时PFM模式I作的电源IC,提高轻载效率。

    5.在对待机功耗有要求的场合和对轻载效率有要求的场合可以使用AAM模式。