DC DC 转换器简介.ppt

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1、DC/DC Converter 簡 介內容(一)DCDC電壓轉換器基本認識(二)DCDC電壓轉換器架構原理(三)DCDC電壓轉換器的轉換效率(四)電感選型DCDC轉換器基本認識數位產品為何需要電壓轉換數位產品為何需要電壓轉換數位IC工作電壓日趨變低CMOS結構示意圖先進半導體製程!由於線距變小時所以耐壓變低!工作電壓變低.數位電子會使用不同的半導體製程有不同電壓需求新的應用會有不同的製程需求,也導致不同的工作電壓需求數位電子產品電源供應器電源供應器僅有一種或數種電壓因為數位電子系統電源供應的電壓種類遠少於主動元件因為數位電子系統電源供應的電壓種類遠少於主動元件(IC)需求需求開關電壓轉換器開關

2、電壓轉換器DC DC Converter V.S.線性電壓轉換器線性電壓轉換器DC DC Converter 開關變壓器開關變壓器DC DC Converter 開關式電壓轉換器(Switching Type DC DC Converter)絕緣式(Isolated)v.s.非絕緣式(Non Isolated)1、隔离电源：电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间 是绝缘的高阻态，没有电流回路。2、非隔离电源：输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的。隔离与非隔离电源的应用场合隔离与非隔离电源的应用场合 :1、系统前级的电源，为提高抗干扰性能，保证可靠

3、性，一般用隔离电源。2、电路板内的IC或部分电路供电，从性价比和体积出发，优先选用非隔离的方案。3、对安全有要求的场合，如需接市电的AC-DC，或医疗用的电源，为保证人身的安全，必须用隔离电源，有些场合还必须用加强隔离的电源。4、对于远程工业通信的供电，为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。5、对于采用电池供电，对续航力要求严苛的场合，采用非隔离供电。同步 v.s.非同步(Non Isolated)同步 v.s.非同步(Non Isolated)DC/DC轉換器的非絕緣型降壓開關穩壓器有前項所説明的非同步整流（二極體）式和同步整流式。非同步整流式是較早被

4、使用的方式，就開關穩壓器而言電路簡單但效率卻超過80左右。之後，筆記型PC等電池驅動且需要較大功率的應用開始要求更高效率，於是可獲得高效率的同步整流式開關穩壓器用IC被陸續開發，控制或電路極為複雜的同步整流式變得容易設計，逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。DC/DC Converter 切換模式切換模式PWMPWM(Pulse Width Modulation)v.s.PFM(Pulse Frequency Modulation)PWM控制（脈衝振幅調變）控制（脈衝振幅調變）PWM是最一般性的電壓控制方法。在一定周期下，將開關設為ON，從輸入取出符合輸出所需功率之部分。因此，

5、ON和OFF之比率、佔空比（duty cycle）會隨必要之輸出功率而變化。由於頻率一定，故有可預測即將產生之開關雜訊、濾波處理容易等優點。缺點方面，由於頻率一定，重負載時和輕負載時之開關次數皆相同，自我消耗電流不變，故輕負載時其開關損失受到控制，效率降低。頻率一定且依佔空比調整輸出電壓頻率一定且依佔空比調整輸出電壓由於頻率一定，故容易過滤雜訊因頻率一定，故輕負載時開關損失導致之效率劣化顯著PFM控制（脈衝頻率調變）控制（脈衝頻率調變）PFM有固定ON時間型和固定OFF時間型。以固定ON時間型為例（參照下圖），ON時間一定而OFF時間變化。換言之，在下一個ON來臨前的時間會變化。當負載變大時，

6、將會增加時間内的ON次數來迎和負載。也就是重負載時頻率會變高，輕負載時頻率會變低。優點在於輕負載時由於不太需要追加功率，開關頻率變低，開關次數減少，開關損失減少，故輕負載時亦可維持高效率。缺點在於因頻率會變化，開關相關雜訊不穩定且難以濾波。總之，難以消除雜訊。此外，當頻率衝破20kHz時則進入人耳的聽覺範圍，可能會開始產生鳴音，音響機器的話則有可能會影響S/N。因此，可以說PWM比較容易操作。將將ON（或（或OFF）時間設為一定，調整）時間設為一定，調整OFF（或（或ON）時間）時間輕負載時由於會降頻率運作，故開關損失會減少而維持效率由於頻率不穩定，故雜訊濾波困難而有進入聽覺範圍的可能性該利用

7、哪一方必須在理解各特性後進行取捨，不過有些IC為了能夠利用雙方的優點，於穩定運作時採PWM運作，於輕負載時開關成PFM來維持效率。PWM(Pulse Width Modulation)v.s.PFM(Pulse Frequency Modulation)開關控制模式技術特點對比控制模式控制模式脉冲頻率調制脉冲頻率調制(PFM)脉冲寬度調制脉冲寬度調制(PWM)(PWM +PFM)工作原理固定的開啟脉冲寬度,通過調整開啟脉冲頻率,使輸出恆定固定的開啟脉冲頻率,通過調整開關占空比,維持輸出恆定通過檢測電感電流,在 PFM/PWM控制模式間自動切換特點輕負載效率高,間歇式工作瞬時電流波動大,紋波大,

8、對電感要求高重負載下效率較高,電感電流波動小,紋波小,對電感要求低 PWM/PFM 在輕/重負載下的優勢互補,較寬範圍內保持高效率適用環境輕負載重負載較寬範圍何謂何謂Single Phase與與Multi Phase DC DCMulti-PhaseMulti-PhaseMulti-PhaseMulti-PhaseSingle-PhaseSingle-PhaseSingle-PhaseSingle-PhaseDCDC轉換器架構原理降壓(Set-Down)非隔離切換式直流電源轉換器非隔離切換式直流電源轉換器架構架構昇壓(Set-Up)昇壓-降壓BuckBuckBuckBuckBoostBoost

9、BoostBoostBuck-BoostBuck-BoostBuck-BoostBuck-BoostSEPICSEPICSEPICSEPICZETAZETAZETAZETACuKCuKCuKCuK反向輸出反向輸出反向輸出反向輸出電感基本觀念(Faradays Law)電容基本觀念降壓型轉換器(Buck Converter)降壓型轉換器-開關S導通降壓型轉換器-開關S不導通電壓及電流波型伏秒特性升壓型轉換器(Boost Converter)升壓型轉換器-開關S導通升壓型轉換器-開關S不導通伏秒特性升-降壓型轉換器(Buck-Boost Converter)升-降壓型轉換器-開關S導通升-降壓型轉

10、換器-開關S不導通伏秒特性功率功率電電感在切換式電源轉換器的電流行為感在切換式電源轉換器的電流行為Synchronous Buck Converter Buck Converter Design ExampleThe filter inductor value and its peak current are determined based on the specified maximum inductor current ripple.電感經過的電流有電感經過的電流有直流項直流項(Io輸出輸出-Buck,Ii輸入電流輸入電流)與交流項與交流項(I)就切換式電源供應器的理論中就切換式電源供應

11、器的理論中!當感值越低當感值越低!則通過電感電流越大則通過電感電流越大!則溫度越高則溫度越高對於Q1之ON/OFF，想必大家都明白汲極電流汲極電流ID、電感電流電感電流IL、以及輸出電容電流輸出電容電流ICO、輸入電容電流、輸入電容電流ICIN如何流動。如果這個可以清楚想像的話，便能夠理解哪個零件做什麼樣的工作，並且明白該零件應具備哪種特性。上述Fig.1和Fig.2的總整理，表示主要節點之電壓或電流波形切換式電源轉換器功率電感的電流行為切換式電源轉換器功率電感的電流行為功率功率電電感在切換式電源轉換器的作用感在切換式電源轉換器的作用-BoostBoost DC DC 架構架構電感電流與電壓波

12、形電感電流與電壓波形工作原理工作原理 a.Q1 ON:電感兩邊電壓為電感兩邊電壓為B1(Vin)-Q1(on),電流會緩慢增加電流會緩慢增加,將能量存在電感將能量存在電感 b Q1 OFF:電感兩邊電壓為電感兩邊電壓為B1(Vin)-D1(on)-Vo,電流與能量由電感釋出電流與能量由電感釋出 電感波形為電感波形為DC+三角波三角波電感電流的模式 一般在一個 DC DC 的線路上輸出電流從空載到滿載電流模式 會從非連續模式 邊界模式 連續模式，但這也要看 R&D 的設計，因為“Mode”參數的設定會影響電流模式跟電感的感值重載(連續模式)中載(邊界模式)輕載(非連續模式)PWM IC 訊號功率

13、功率電電感在切換式電源轉換器選用重要觀念感在切換式電源轉換器選用重要觀念DCDC轉換器的轉換效率DC DC 轉換器的轉換效率DC DC 轉換器的轉換效率V inV outI inI outDC DC轉換器能量耗損:开关器件的损耗开关器件的损耗 -MOSFET -二极管電感電容 P out(V out x I out)轉換效率轉換效率 =-P in(V in x I in)(1)DC-DC转换器拓扑中的MOSFET和二极管和二极管是造成功耗的主要因素。相关损耗主要 包括两部分：传导损耗和开关损耗传导损耗和开关损耗。传导损耗传导损耗 :1.MOSFET的传导损耗(PCOND(MOSFET)近似等于

14、导通电阻RDS(ON)、占空比(D)和导通时 MOSFET 的平均电流(IMOSFET(AVG)的乘积。PCOND(MOSFET)(使用平均电流)=IMOSFET(AVG)RDS(ON)D 2.二极管的传导损耗则在很大程度上取决于正向导通电压(VF)。二极管通常比MOSFET损耗更大，二极管 损耗与正向电流、VF和导通时间成正比。由于MOSFET断开时二极管导通，二极管的传导损耗 (PCOND(DIODE)近似为：PCOND(DIODE)=IDIODE(ON)VF (1-D)开关损耗开关损耗 :器件从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程中会产生 功率损耗。提高效率提

15、高效率 1.通过哪些途径可以降低电源的开关损耗呢？直接途径是：选择低导通电阻 RDS(ON)、可快速切换的MOSFET；选择低导通压降VF、可快速恢复的二极管。2.电源架构对效率的提高电源架构对效率的提高 :采用低导通电阻的MOSFET取代了功耗较大的开关二极管，可有效改善效率指标。重载时采用恒定PWM频率；轻载时采用跳脉冲模式以提高效率，DC DC 轉換器的轉換效率 電感AC LossDC DC 轉換器的轉換效率 電感DC DC 轉換器的轉換效率 電感DC DC 轉換器的轉換效率 電感DC DC 轉換器的轉換效率 電感DC DC 轉換器的轉換效率 電感DC DC 轉換器的轉換效率 電感DC

16、DC 轉換器的轉換效率 電容DC DC 轉換器的轉換效率 電容DC DC 轉換器的轉換效率 電容電感選型(1)Fig.1表示開關元素Q1為ON之狀態。當Q1為ON時，電流將從輸入VIN通過線圈L充電輸出平滑電容CO，由輸出電流 IO供給。此時線圈L所流動之電流將產生磁界，電氣能源被變換成磁能後蓄積。(2)Fig.2表示開關元素Q1為OFF之狀態。當Q1為OFF時，二極體D1為ON，L所蓄積能源將被釋放至輸出方。此基本電路圖表示二極體整流（非同步整流）型之降壓電路。同步整流的情況下會將D1置換成開關元素（電晶體），雖然與Q1相反會變成ON/OFF工作，不過基本上相同。Inductor Calcu

17、lation of Buck Converter(進階)(1)When switching element Q1 is ON,current flow is shown during ON period tON of Q1,and voltage VL(ON)of coil L can be calculated by the following equation VL(ON)=(VIN-VSW-VOUT)VIN :Input Voltage(V)VSW :Q1 ON-state Voltage Drop(V)VOUT :Output Voltage(VThe relation between

18、 current IL and voltage VL of coil L,which has self-inductance,can be calculated using the equation below:V L =L dI/dt (VIN-VSW-VOUT)x t on I LP I LT =-(2)when Q1 in OFF-state,the coil voltage is VL(OFF)VL(OFF)=VD +VOUT VD :Forward Voltage Drop across D1(V)VOUT:Output Voltage(V)(VD+VOUT)x t off I LP

19、 I LT =-IOUT is the average inductor current value.I LP I LT =2L x IOUT (VIN-VSW-VOUT)x t on I LP =IOUT +-(VD+VOUT)x t offI LP =IOUT +-Inductor Calculation of Buck Converter(進階)(Continued)On Duty CalculationOn-duty D is the ratio of time the switching element is ON tON versus the switching oscillato

20、ry cycle TSW:Maximum Coil Current Value Large inductance L and high switching frequency will reduce maximum current(ILP)andcurrent difference between max.and min.(ILPILT).Inductor Calculation of Buck Converter(進階)(Continued)Inductance L Value CalculationDefine the ratio of current-difference flowing

21、 in coil L(ILP-ILT)versus output current IOUT as current ripple-ratio“r”.The inductor value can be increased to reduce the ripple-ratio;however,this will typically result in an inductor size that is physically too big for practical use.Consequently,“r”is usually set between 0.2 and 0.5 for buck conv

22、ertersMaximum Current Flow through the CoilCurrent flowing through the coil is a combination of output current and ripple-current.Inductor Calculation of Buck Converter(進階)(Continued)Example for Inductor selection:Inductor Calculation of Buck Converter(進階)(Continued)Determine the operating condition

23、s of the buck converter:-VIN=12V Input Voltage-VOUT=3.3V Output Voltage-IOUT=2A Output Current-r=0.3 Output Current Ripple Ratio-VSW=0.30 ON State Voltage Drop of Switching Element Q1-VD=0.26*Forward Voltage Drop of Free Wheel Diode-fSW=380 kHz Switching Frequency10H is chosen as the closest standar

24、d inductance value.Power Choke Selection for Switch DC/DC ConverterIn Bulk Circuit(Vin Vout):In Boost Circuit(Vin 24AExample:Example:Frequency=1MHz,Vin=25V,Vout=50VDuty=(Vout-Vin)/Vout=(50-25)/50)=0.5Iout(max)=0.6A,I=0.4*Iout(max)*(4)=0.48A,Lmin=(25/(0.48A*1MHz)*0.5=27uH1.08AIsat 1.08A真實應用電感的感值會影響到流

25、過的電流!進而影響到LossExample for Inductor selection:a buck regulator will be used to convert a 12V input to a 5V output with a load current of 4.5A.The operating frequency was chosen to be 600 kHz toreduce the size of the filter components,while stillmaintaining good efficiency.The converter is designed to

26、have 20%ripple current,so a relatively low ESR outputfilter capacitor will be used First calculate the needed inductance value:V=L*dI/dt where:V=Vin-Vout(voltage across the inductor)dT=On time of drive=Vout/Vin/frequencyI=Chosen above to be 20%Calculate the required inductance:L=V*dt/I=(12-5)*(12/5/

27、600k)/(0.2*4.5)L=4.8 HChoose 4.7 H,the nearest standard valueRecalculate ripple current at 23%using 4.7 H Second determine peak to peak flux density,Bp-p:Bp-p=K*L*I where:K:K-factor from the adjacent tableL:Inductance HI:Peak to peak ripple current(Amps)Bp-p=105*4.7*0.23*4.5=510 Gauss Inductor Calcu

28、lation of Buck Converter(Continued)Next determine the total losses in the inductor:Total losses=DC loss+AC lossDC loss=I2*DCR=4.52*0.040=0.81 W(DCR from FP3 datasheet)AC loss from table at Bp-p of 510=0.15 WTotal Loss=DC loss+AC loss=0.96W Finally determine the temperature rise.Total loss=0.96W,usin

29、g the table,Temperature rise is 80CAssuming an ambient temperature of 70C,The temperature of the inductor isT=70+75=150C Inductor Calculation of Buck Converter(Continued)CCM(Continuous Conduction Mode)v.s.DCM(Continuous Conduction Mode)CCM/DCM boundary condition (CCM轉換轉換 成成DCM ):(1)I load r/2 x Io (

30、2)L (1 D)R /2 f =(1 D)Vo/Io 一般在一個 DC DC 的線路上輸出電流從空載到滿載電流模式 會從非連續模式 邊界模式 連續模式，但這也要看 R&D 的設計，因為“Mode”參數的設定會影響電流模式跟電感的感值重載(連續模式)中載(邊界模式)輕載(非連續模式)PWM IC 訊號轉換器占空比(Duty Cycle)與輸入,輸出之關係 轉換器種類轉換器種類(DC DC Converter)占空比占空比(D)與輸入與輸入,輸輸出電壓關係出電壓關係維持維持 CCM(連續傳導模式連續傳導模式)的最小電感的最小電感值值1降壓轉換器(Buck DC DC Converter)D=V

31、out/V in V out=D x V in(1 D)R/2 fs2升壓轉換器(Boost DC DC Converter)D=1 (Vin/Vout)V out=V in/(1 D)D(1 D2)R /2fs3反向升降壓轉換器 D=V out/(Vout Vin)V out=-V in x D/(1-D)Vout/2fs x Iout x V in/Vout-Vin4SEPIC(CuK,ZETA)升降壓轉換器 D=V out/(Vout+Vin)V out=V in x D/(1-D)V in D/fs x Iout(Vo/Vin+1)5(1)+(2)升降壓轉換器(1)+(2)(1)+(2

32、)D:占空比(Duty Cycle)fs:切換頻率V in:輸入電壓 V out:輸出電壓 Iout :輸出電流 R:負載電阻(V out /I out)Inductor Selection for Buck Convertersyou will need to define or calculate the following parameters:Maximum input voltage Output voltage Switching frequency Maximum ripple current Duty cycleFor the example shown in figure l

33、ets assume a switching frequency of 250kHz,input voltage range of12V10%and a max ripple current of 220mA.For an input voltage of 13.2V the duty cycle will be:D=Vo/Vi=5/13.2=0.379 Where Vo is the output voltage and Vi is the input voltage.Voltage across the inductance:V1=Vi-Vo=8.2V when the switch is

34、 onV1=-Vo=-5V when the switch is offRequire inductance:L=V1.dt/di=(8.2 x 0.379/250 x 103)/0.22L=56.5HInductor Selection for Boost ConvertersTaking maximum input voltage as 5.5V,switchingfrequency as 100kHz and maximum ripple current as 0.1A.Duty cycle:D=1 (Vi/Vo)=1 (5.5/12)=0.542Inductor Voltage:V1=

35、Vi=5.5V when the switch is onV1=Vo Vi=6.5V when the switch is offinductance:L=V1.dt/di=(5.5 x 0.542/100 x 103)/0.1L=298HInductor Selection for Buck-Boost Converters(including Cuk&SEPIC&ZETA)For this example we shall use a switching frequency of 200kHz and a maximum ripple current of 200mA.Duty cycle

36、:D=Vo/(Vo+Vi)=12/(12+18)=0.4Inductor voltages:V1=Vi=18V when the switch is on V1=Vo=12V when the switch is off inductance:L=V1.dt/di =(18 x 0.4/200 x 103)/0.2L=180HSEPIC Converter CircuitCuK Converter CircuitZETA Converter Circuit1.當 t=D 時 VL=Vin-VO 此時電感儲存的能量為：(Vin-VO)*D 2.當 t=1-D 時 VL=Vo 此時電感洩放的能量為

37、：Vo*(1 D)3.由於能量不滅定律，電感儲存的能量 等於電感卸放的能量，所以：(Vin-VO)*D=Vo*(1 D)由上述公式：(Vin-VO)*D=Vo*(1 D)做運算後：由於 D 1 所以 一定會小於1故 Vo Vin電感選型 -降壓(Buck)1.當 t=D 時 VL=Vin 此時電感儲存的能量為：Vin*D 2.當 t=1-D 時 VL=Vo-Vin 此時電感洩放的能量為：(Vo Vin)*(1 D)3.由於能量不滅定律，電感儲存的能量 等於電感卸放的能量，所以：Vin*D=(Vo Vin)*(1 D)由上述公式：Vin*D=(Vo Vin)*(1 D)做運算後：由於 D Vin

38、電感選型 -昇壓(Boost)電感選型3.計算結果參數計算結果參數說明說明：上面的參數只要看標示綠色欄位的數值就可以選出適用的電感 在選用電感時電感電感 SPEC 所標示的數值需要大於所計算出來的數值所標示的數值需要大於所計算出來的數值DutyMax Duty Cycle最大工作週期最大工作週期Iutput WatterMax Output Watter最大輸入功率最大輸入功率Iout,maxMax Output Current最大輸出電流最大輸出電流(Irms)Iin,maxMax Input Current最大輸入電流最大輸入電流I Current電流的峰對峰值電流的峰對峰值IpeakPe

39、ak Current=Iout,max+(Is/2)電流峰值電流峰值(Iset)LminInductor maximun value要進入要進入CCM時的最小電感值時的最小電感值 電感選型：電感選型：A.電感特性的選擇：電感特性的選擇：在進行電感選型時需要下表的參數 如上面”輸入參數輸入參數說明說明”所述有些 R&D 不知道”Efficiency”及“Mode”參數該如何設定，這樣就需要詢問 R&D 預計使用的感值 這樣才能做計算 在計算完成後只需要選擇的電感是”SPEC 所標示的值大於所計算出 來的值就可以了”Vin,maxInput Voltage Maximum最大輸入電壓最大輸入電壓V

40、oOutput Voltage額定輸出電壓額定輸出電壓Output WatterOutput Watter最大輸出功率最大輸出功率FreqMinimum Switching FrequencyPWM工作頻率工作頻率EfficiencyConversion Efficiency轉換效率轉換效率ModeCurrent Mode 進入連續模式時的負載量進入連續模式時的負載量電感選型Power choke特性影響DC/DC Converter的轉換效率 1.power choke 的 Rdc v.s.Efficiency:在較大電流輸出(100mA)的情況下，如手機在使用照相Flash、通話元件的Rd

41、c愈低，其電壓轉換效率越高；Rdc 與線圈(材質、幾何形狀(截面積)、線圈圈數(相對於磁性材料的e)和SMD的結構有關。power choke的Q值 v.s.Efficiency:Power choke特性影響DC/DC Converter的轉換效率在小電流輸出(10mA)的情況，如待機的情況下，元件的Q值愈高(core loss愈低)其電壓的轉換效率愈高Power choke特性影響DC/DC Converter的轉換效率power choke的 Inductance v.s.Efficiency:在較中等電流輸出(10 100mA)的情況下，感值會影響電壓轉換效率 I=1/(f x L)x

42、 Vout(1 Vout/Vin)感值的選用會影響其ripple current的大小，較大的電感值將會降低ripple current及降低 hysteresis core loss，但會使得converter反應變慢，同時會影響Isat特性，同時需要增加線圈，會使得Rdc提高；電感值低時，雖然converter的response會提高，但loss會較高。Smart Phone中需要使用到微型Power Choke，主要在三個地方的Converter:1.LCD顯示屏背光部位:昇壓點燈。2.手機中接受AC Adapter轉換DC充電入電池部位:降壓轉換。3.驅動IC轉換電壓部位:升降壓轉換均有。Thank You