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电感储能DC-DC原理和设计

来源:新能源汽车网
时间:2023-05-22 16:03:42
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电感储能DC-DC原理和设计1.DC-DC简介DC-DC是英语直流变直流的缩写。所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支。这里说的D

1.DC-DC简介

DC-DC是英语直流变直流的缩写。所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支。这里说的DC-DC是指开关电源芯片。

开关电源,指利用电容、电感的储能的特性,通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作,将输入的电能储存在电容(感)里,当开关断开时,电能再释放给负载,提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。

开关电源可以用于升压和降压。我们常用的DC-DC产品有两种。一种为电容储能DC-DC,一种为电感储能DC-DC。主要讲电感储能DC-DC。


2.DC-DC的原理

1、降压DC-DC:BUCK

BUCK型DC-DC主要用于降压,其原理如图1,开关管Q1打开时,Vin通过L1给负载供电,L1中储藏电能,当Q1闭合时,当在L1内上会感应出反向的电动势,极性是左负右正,此时电感通过二极管D1给负载供电。输出的电压跟占空比D有关:Vout=Vin*D

图1

该电路中由于频繁开关作用,所以要求二极管D1具有极高的回复速度,考虑到效率,该二极管还要具有低的正向导通电压,一般选用肖特基二极管。


同步整流技术

同步整流是采用动态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈线性关系,其导通电阻极小。用功率MOSFET做整流器时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。

同步整流示意图


2、升压DC-DC:BOOST

BOOST型DC-DC主要用于升压电路,其原理如图2,当开关管Q1闭合时,二极管D1截止,电流流经电感L1和开关管Q1,此时电容Cout给负载供电,当开关管Q1断开时,L1上产生反向的电动势,极性是左负右正,此时Vin和L1上的电动势叠加通过二极管给负载供电,同时给Cout充电。输出的电压同样跟占空比D有关:Vout=Vin/(1-D)

图2


3、BUCK/BOOST

BUCK/BOOST型DC-DC既可用于降压,也可用于升压,其原理如图3所示,该类型电压输出:Vout=Vin*D/(1-D)

图3


3.DC-DC与LDO的区别

1、两者的效率不同,DC-DC的效率一般要高于 LDO,这是其工作原理决定的;

2、DC-DC有Boost、Buck、Boost/Buck,而LDO只有降压型;

3 、DC-DC存在开关噪声和EMI问题,而LDO一般不会存在该问题;

4、LDO设计简单,只需一个输入和一个输出电容,外围元器件少,所占PCB的面积较小,而DC-DC一般需要电感、二极管等,设计较复杂,所占PCB的面积较大;

5、DC-DC可以输出较大的电流,而LDO输出电流较小;

6、DC-DC比LDO要贵


4.DC-DC设计指导

*在设计电源模块的时候,时间要把该电源IC的datasheet资料好,查看里面的说明;


注意其中关于输出电流值的说明,这里输出电流为1A,设计的时候过孔的数目是根据电流大小来决定的。

*然后看下datasheet中关于管脚的说明和注意要点,如图6:


图6


>1pin为使能脚;

>2pin为地脚;

>3pin为电源输出脚;

>4pin为电源输入脚;

>5pin为反馈脚,提供反馈电压;

*重要的一步,要仔细查看datasheet中是否提供了布局指导。Layout Guide为设计者提供一个参考布局,是经过验证过的。

*实际上,通过一些layout guide能总结出一些电源设计中需要注意的要点

*图9中设计包含以下问题需要改善:

图9


1. 输入处电流过孔数目不够,且打在电容右侧;


2. 反馈线太细,建议走15mil粗线,连到输出端一个电容,不要直接连在电感;


3. 1脚为使能脚,不需要铺铜;


4. 0402小电容建议十字花连接;


5. 输入输出回路太大,可以改变布局让其共地,缩小环路面积;


5.参数的选择

1、电感器的选择

随着开关的打开和闭合,升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的 20%。电感过大将要求使用大得多的电感器,而电感太小将引起更大的开关电流,特别在输出电容器中,而这又要求更大的电容器。


电感值的选择取决于期望的纹波电流。如等式 1 所示,较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。


等式 1

由公式可以得出:


(1) 开关频率越高,所需的电感值就可以减小;


(2) 电感值增大,可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大,电感尺寸也相应的增大,电流变化速度也减慢。


为了避免电感饱和,电感的额定电流值应该是转换器输出电流值与电感纹波电流之和。如图11

图11


2、输入电容的选择

因为 buck 有跳跃的输入电流,需要低 ESR 的输入电容,实现的输入电压滤波。输入电容值必须足够大,来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容,电容 RMS 纹波电容范围应该满足应用需求。

陶瓷电容具有低 ESR 值,表现出良好的特性。并且与钽电容相比,陶瓷电容对瞬时电压不敏感。


3、输出电容的选择

输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。


输出电压纹波是由输出电容的 ESR 引起的电压值,和由输出电容冲放电引起的电压纹波之和

 
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