开关电源中降压转换器应用小知识

admin · 发表于 2019-9-27 15:07

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使用开关稳压器的降压转换器具有所有转换器当中最高的效率。高效率意味着转换过程中的能量损耗更少，而且能简化热管理。降压开关稳压器的基本原理，即同步降压转换器。“同步降压”指的是MOSFET用作低边开关。相对应的，标准降压稳压器要使用一个肖特基二极管做为低边开关。与标准降压稳压器相比，同步降压稳压器的主要好处是效率更高，因为MOSFET的电压降比二极管的电压降要低。

（同步降压转转换器）

低边和高边MOSFET的定时信息是由脉宽调制(PWM)控制器提供的。控制器的输入是来自输出端反馈回来的电压。这个闭环控制使降压转换器能够根据负载的变化调节输出。PWM模块的输出是一个用来升高或降低开关频率的数字信号。该信号驱动一对MOSFET。信号的占空比决定了输入直接连到输出的导通时间的百分比。因此，输出电压是输入电压和占空比的乘积。

开关电源是一个闭环的控制系统，若将开关电源的电流比喻为水流，输入电容就是一个高的蓄水池、输出电容是一个小的蓄水池，把一小杯一小杯的水从大水池传送到小水池，通过控制传送的间隔时间和水杯的水量从而实现小水池固定的水量，当输出的水量低了，就增加杯子的水量，当输出的水量高了，就减少杯子的水量。
降压转换器基础(电流和电压波形)
同步降压交换式电源转换器的应用电路如图所示，系统工作原理是藉由交错式切换High Side (Q1)/Low Side (Q2)金属氧化物场效晶体管(MOSFET)(上、下桥晶体管)，将输入能量转换成输出端适当电压以提供到负载侧。系统关键性被动组件电感及输出电容组成的低通滤波器(Low Pass Filter)，用于传送与储存能量并滤除交流成分，让输出电压成为平顺的准直流需求。

（同步降压转换器应用电路图）

在常规技术的认知下，当切换频率愈快，即可得到较小的输出纹波，若以流经电感电流乘上输出电容的等效串联电阻来估算峰值纹波电压是可得到近似数据，但与实际的输出纹波波形有程度上的误差，因此必须考虑电容完整的等效电路特性，便可获得正确的解答。

在切换式降压转换器中，电感电流会对电容充电或放电，因此所有的纹波电流都会流经电容使得输出到负载的电压为稳定的直流电压Vo。然而，实际情形不是如此，因为实际电容除了本身电容值外，还包含等效串联电阻与等效串联电感参数特性，让输出纹波电压(Ripple Voltage)ΔVo大于默认值，因此欲得到正确的输出纹波，则须将上图所示完整的电容等效电路加以说明。其中，Cap全称为Capacitance，意思是电容值，其为电容最主要的参数，应用于电路稳压，补偿或滤噪声之用，可用电容公式来表示其特性，亦即Q = C·Vc或

而ESR(Equivalent Series Resistance)为等效串联电阻，其为电容能量损耗及纹波的来源，可用欧姆定律来表示其特性，亦即

至于ESL(Equivalent Series Inductance)，表示等效串联电感，可用电感微分公式来表示其特性，公式为

其感抗正比于频率，在低频时其感抗低，不易观测到其作用，但在频率较高时，其感抗增加，会降低电容稳压滤波的功能。另外要补充的是，I为IL A.C成分，也就是电感电流的交流成分。

一般而言，在稳态(Steady State)及负载固定时，输出电容的纹波电压主要是由电感的纹波电流造成，可先计算出电感的纹波电流，再利用欧姆定律，电感微分公式及电容电荷储存公式，分别计算出ESR、ESL及Capacitance的纹波电压。再将此三种纹波加总起来，便可得输出电容的纹波电压，如公式所示：
电感电流函数IL(t)可由公式求得，其波形下图所示。在Ton时(上桥MOSFET导通)，输入电源VCC供应能量到负载端且电感组件储存磁能(电感电流为线性递增)，依据法拉第定律(Faraday's Law)：
将可得到导通周期(On-time Duty)电感电流斜率：

在Toff时(下桥MOSFET导通)，电感释放能量到负载(电感电流为线性递减);其关断周期(Off-time Duty)电感电流斜率如公式所示：
依傅里叶级数展开任意周期性函数可得到频率信号的幅度，也代表着信号在不同频率分量成分的大小。频域分析是以输入信号的频率为变量，并能够提供比时域 (Time Domain)信号波形更直观且包含频率、振幅和相位信息。相对的傅里叶变换(Fourier Transform)可将频域函数转换成时域的稳态输出纹波Vo。因此，傅里叶级数与傅里叶变换的优点是可让分析者依所提供的任意输入波形，容易得到输出纹波波形。

周期T傅里叶级数为：

傅里叶系数则是：

ak及bk是共轭复数。
等效电感阻抗包含ZESR、ZESL、ZCo，计算方式如下所示：

而LX电压波形使用傅里叶级数展开，表示如下：

因此，ESR Ripple傅里叶级数展开如下所示：

ESL Ripple傅里叶级数展开如下所示：

Cap Ripple傅里叶级数展开如下所示：

Vo Ripple傅里叶级数展开如下所示：

在处理信号时，常藉由傅里叶变换来取得信号所对应的频谱，然后再由频谱来读取信号的参数。但由于所做的计算量过于庞大，当处理大量的数据时，则需要快速计算的算法，因而衍生出快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)。快速傅里叶变换大幅提高了频谱的计算速度。

快速傅里叶变换的使用条件包括：信号必须是周期性的、取样周期必须为信号周期的整数倍、采样率(Sampling Rate)必须高于信号最高频率的两倍以上、取样点数N必须为2k个数据。

快速傅里叶变换原理的表示法，则如下所示：

降压转换器拓扑

上图就是一个电路结构，我们可以通过两个电阻的分压采样输出的电压，再经过一个比较器和基准比较，如果输出小于基准，MOS管就开通;如果输出大于基准，就关断MOS管。

下图是用LM22670芯片做的电路示例，这就是一个典型的非同步降压转换器，下管是一个快恢复或者肖特基二极管。为什么要用肖特基呢?因二极管的寄生参数和漏感会导致在MOS管在开通时产生一个高压的震荡，这个震荡最终会导致芯片的SW引脚高压损坏和开关损耗非常大，导致效率很低，所以一般会使用快恢复或者肖特基二极管。

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