ApplicationNoteDCDCBUCK

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1、wordApplication Note: DC-DC BUCK APPLICATION DESIGN 注：本文只讨论BUCK工作在连续导通模式CCM模式下的设计1 DC-DC Basic1.1 DC-DC转换器工作在CCM模式下的输出电压为：(1.1)都很小，有： (1.2)CCM模式下BUCK的输出电压只取决于输入电压和占空比D，当输入电压一定时，占空比越大，越接近1，输出电压越大，无限制；而当占空比趋近于0时，输出电压为0。一个简单性的想象电路工作的方法就是把电感看作是一个储能元件，当开关导通时，能量加到电感器上，当开关关上时，电感就把它存储的一局部能量输送到输出电容负载上。输出电压就通

2、过设定开关的开关时间来控制。增大开关时间，增加D，输送到电感的能量就增加；减小开关时间，减小D，输送到带电感的能量就减小。1.2 DC-DC转换器负载输出电流负载输出电流与电感输出电流的平均值是成正比的，而电感电流纹波是跟输出负载电流无关的，电感电流的最大值和最小值准确地跟随电感电流平均值的变化。当电感电流的平均值由于负载电流的变化而减少2A时，电感电流的最大值和最小值也会随着减小2A。1.3 为保证BUCK工作在CCM模式下，电感值与负载输出电流的关系首先，定义保持转换器工作在CCM模式下的最小输出电流，这是个临界电流，保持CCM模式的电感电流平均值的最小值为：(1.3)替换，并解出(1.4

3、)利用计算出的电感值，就可以保证转换器工作在CCM模式下，并且输出负载电流高于临界电流。2 DC-DC转换器的重要参数2.1 DC-DC转换器的开关频率大局部DC-DC转换器的开关频率都是通过RT引脚接电阻可调的，或者直接通过晶振输入开关频率，而有一些如此是内部固定不变的。通常的X围从几百KHz到几MHz。在选择开关频率时，需要考虑以下几点：n DC-DC转换器的最小占空比和开关频率决定了最小占空比，而最小占空比在输出电压一定的条件下，决定了DC-DC能输出的最小电压。所以，开关频率不能过小。n DC-DC转换器的开关频率越高，占空比越大，开关开的时间越长，转换器的功耗也就越大，效率也就越低。

4、理论上开关频率每增加一倍，效率就降低2%。n 开关频率越高，DC-DC的瞬态响应越好，从负载电流变化到稳定的响应时间越短。n DC-DC输出纹波电流、输出纹波电压与开关频率有关，频率越高，在一样纹波要求条件下，所需要的输出电感、输出电容值和它们的封装也就越小。n 开关频率不能无限的提高，都有一个最高频率的限制，频率太高，影响转换器的Pulse Skipping 模式的正常工作。所以在确定开关频率时，要综合考虑输出纹波、效率和瞬态效应之间的权衡。2.2 DC-DC转换器输出电感纹波电流和负载输出电压纹波在稳定工作条件下，电感纹波电流为(2.1)在输出局部，电感电流在电容和负载之间分割假设在稳态条

5、件下，输出到负载的电流不变，有这也是一种近似，因为就算是负载恒定不变，由于电压纹波的影响，电流也会改变的，但由于这个变化量和相比很小，所以在此忽略。如果不忽略，也可以推导出更复杂的表达式。加之于C就会产生纹波电压。当流过理想电容时，在电容两端产生的电压变化：(2.2)取积分下限为ton/2,积分上限为toff/2,计算积分得:(2.3)接着考虑电容的ESR的影响，当电流流过ESR时，两端产生的压降为:(2.4)输出电压的纹波为以上两式2.3和2.4之和:(2.5)一般电解电容和陶瓷电容并联后的等效电阻ESR在十几到几十m之间，由此可见电容的ESR是产生纹波的重要因素，并且随着电容值C的取值增加

6、不会显著地减小。3 DC-DC转换器的应用设计步骤3.1 确定DC-DC转换器的输入输出参数输入输出参数包括输入最大最小电压，；输出电压，负载最大最小输出电流，；输出电感纹波电流，输出电压纹波；瞬态响应输出电压变化，开关频率。3.2 确定DC-DC转换器的开关频率根据datasheet上最大开关频率，开关最小可以控制时间min on-time，确定开关频率。要保证需要输出的电压大于能够输出的最小电压。开关频率不能太高，要考虑效率。3.3 选择输出电感根据选择的开关频率和输出电感电流纹波要求，计算输出电感值，公式为式(2.1)的变型： (3.1)选择电源用功率电感，确定电感值比计算值稍大些就行。

7、电感值确定后，按公式(2.1)重新计算，记为。一般来说，电感值越大，电感footprint越大而耐电流越小。还要考虑电感的类型，一般来说叠层型比绕线型损耗小，带屏蔽的电感比不带屏蔽的电感要好，电感的自谐振频率要大于开关频率的5倍以上，因为高于自谐振频率电感值会下降，甚至不会显感性。关键是电感的两个电流特性，用于描述温度电流特性的，和用于描述饱和电流特性的。表示使电感温度上升20到30时的电流；表示电感的饱和电流，即在电感值下降20%或者30%时能够通过的电流。一般电感datasheet上给出的电流为和之间的最小值，在选择时，要保证下式成立： 3.2其中为输出电感的峰值电流，利用下式计算： 3.

8、3选择满足耐电流要求和电感值要求的，封装和电感的等效直流电阻DCR越小越好。3.4 输出电容的选择输出电容的作用在于在开关闭合时为负载提供电流，瞬态响应保持输出电压的恒定，限定稳定时输出电压的纹波等。输出电容当然是越大越好，但是电容值越大，ESR一般也越大，封装也越大。仅考虑输出电压纹波要求的最小电容值为： (3.4)考虑瞬态响应的最小电容为：注，具体公式要以不同芯片datasheet为准 (3.5) (3.6)，分别为瞬态电流变化值，最大输出电流和最小输出电流。，分别为瞬态电压变化值，瞬态最大输出电压和稳定输出电压。电容的ESR要满足下式： (3.7)所选择的电容值为以上计算最大值，ESR也

9、要满足要求。电容选择类型最好为陶瓷型电容，陶瓷型电容具有最好的ESR。一般选择多个电容并联，以减小电容的ESR。3.5 输出续流二极管的选择输出续流二极管的耐压必须大于瞬态最大输出电压，其峰值电流必须大于输出电感峰值电流。续流二极管的正向导通电压压降和导通电阻必须尽量小，以减小损耗。但是一般来说，续流二极管的耐电压和耐电流等级越高，正向导通电压越大。3.6 稳定性补偿设计在确定了输出电感值，输出电容值和输出电容的ESR值之后，DC-DC系统的开环极点零极点也就确定了(注，我的理解是转换器功率级内部引入了一个极点，开环函数的极点一共是两个，两个极点能引入的相移为180，加上放大器的自带的180相

10、移，有可能不稳定，所以要频率补偿)。DC-DC输出级电感，电容和电容的ESR引入的极点计算如下：(3.8)也有一些资料认为，极点计算如下： (3.9)具体计算以芯片datasheet为准。DC-DC输出级电感，电容和电容的ESR引入的零点计算如下： 3.10一般来说，计算结果远大于，要在和频率之间引入一个极点补偿。补偿类型有三种，详见参考文献，一般外部补偿用的是第二和第三种类型补偿。转折频率corner frequency的计算如下： (3.11)或者， (3.12)以两式中的较小值为准，还要保证小于开关频率的十分之一，以保证对开关频率各谐波分量的衰减。在确定转折频率之后，确定补偿的电容C和电阻R值，具体根据芯片datasheet计算。4 参考文献【1】 全面认识开关型电源中的BUCK-BOOST功率级，TI应用报告。【2】 选择DC-DC转换器的最优开关频率，Brian King。【3】 Optimizing Low-Power DC/DC Designs- External versus Internal pensation，Michael Day，TI slyp090_TI_DCDC_BUCK_PENSATION。【4】 TPS54260 datasheet，TI SLVSA86。【5】 DC-DC电感选型指南，无名氏。【6】 电感耐电流问题，无名氏。8 / 8