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文章目录前言伏秒平衡CCM/DCM两种工作模式工作原理异步BuckMOS管肖特基二极管开关导通阶段T_on电感充电开关关断阶段T_off电感放电同步Buck上下双MOS管自举电容Buck电路SW波形分析同步异步 Buck振铃来源为什么示波器有时候看到 “假振铃”Buck公式汇总前言所有DC-DC Buck降压电路的设计逻辑全部源自两个基础物理公式电感伏安关系U L d i d t UL\frac{di}{dt}ULdtdi电容充放电关系I C d u d t IC\frac{du}{dt}ICdtdu所有稳态公式、纹波、振铃、损耗、工作模式都可以通过器件充放电过程推导得出无需死记硬背。理想电路公式仅为理论设计基准实际硬件存在MOS寄生参数、电感电容寄生、PCB走线寄生电感/电阻、二极管压降等非理想特性。因此工程设计必须预留安全余量仿真辅助定性分析最终以实物实测波形、效率、EMI结果为准。伏秒平衡Buck变换器稳态工作时电感在一个周期内电感电压对时间积分等于 0是输出稳压的核心理论依据。异步BuckMOS肖特基续流精准公式V i ⋅ T o n ( V o V f ) ⋅ T o f f V_i \cdot T_{on} (V_oV_f)\cdot T_{off}Vi⋅Ton(VoVf)⋅Toff参数释义Vi输入电压Ton上管导通时间Vo输出电压Vf肖特基二极管正向导通压降0.3~0.5VToff续流时间理想简化公式忽略器件压降V o V i ⋅ D V_oV_i \cdot DVoVi⋅D参数释义D为开关占空比DTon/(TonToff)降压电路占空比恒小于1。CCM/DCM两种工作模式根据电感电流在开关周期内的状态Buck分为两种工作模式直接影响输出纹波、环路稳定性和瞬态响应CCM连续导通模式中重载主流全周期内电感电流是连续的即电流始终在上升或下降时无电流断档。优势输出稳压精度高、纹波小、环路稳定、瞬态响应好绝大多数常规负载工况默认工作在CCM。如果输出负载在同步转换器中减轻IL可以在电感波动的谷底接近甚至降至0 A。这仍然是CCM因为电感电流始终在上升DCM断续导通模式轻载工况轻载时在电感电流达到零时关闭两个FET图1的开关VSW 未连接到VIN 或GND — 它处于浮动状态。优势大幅降低轻载开关损耗、提升轻载效率缺点环路模型改变、稳定性变差、输出纹波增大。工作原理异步BuckMOS管肖特基二极管先认全 Buck 基础零件输入电源V_i、储能电感L、主控 MOS 开关、整流肖特基二极管、输入滤波电容C_i、输出滤波电容C_o、负载R_L输出V_o。器件分工1.C_i平滑输入电压波动削弱前端电源侧的纹波干扰2.L核心储能元件依靠电流不可突变特性完成降压3.MOS 管PWM 信号控制周期性通断切换电感充放电状态4. 肖特基二极管核心作用为MOS关断阶段正向续流、为电感提供续流回路MOS导通阶段反向截止阻断电流倒灌无隔离高压、防止输出电容反向放电的作用5.C_o稳压滤波开关导通时独立为负载供电、平缓输出电压纹波。核心特性无上下管直通风险、无需死区时间续流压降为肖特基低压降0.3~0.5V无体二极管负压台阶结构简单、成本低适合中小功率场景。开关导通阶段T_on电感充电开关导通时二极管不导通我们看电感电感左边是Vi右边是Vo因为是降压所以左边大于右边那么电感两端电压是Vi-Vo为恒定值。如果把电感电流向右定义为正那么电感电流是线性增大的因为L*di/dtVi-Vo那么di/dt(Vi-Vo)/L常数。开关关断阶段T_off电感放电开关断开时电感要续流会产生反向电动势让二极管导通二极管导通电压是Vd。因为二极管阳极接地所以阴极电压是-Vd也就是电感左边的电压就是-Vd右边的电压是Vo不变因此电感两端电压是-Vd-Vo。此时电感电流是线性减小的因为L*di/dt-Vd-Vodi/dt-(VoVd)/L常数并且是负值所以是线性减小的。在开关导通的时候电感两端电压是Vi-Vo。在开关断开的时候输出端电压为Vo二极管导通那么电感右侧就是Vo电感左侧接的是-Vd所以此时电感两端电压是VoVd。整个电路稳定之后因为负载电流恒定那么一个周期时间之内在开关导通时电感电流增加的量要等于开关截止时电感电流减小的量即电感充了多少电就要放多少电不然负载的电流或者电压就要发生变化。即一个周期内电感电流增大量等于减小量。然后又因为ULdi/dtdi/dtU/LL不变所以电感电流变化速度与电压成正比。简单说就是电感电流上升或下降的斜率与电压成正比。异步Buck核心优缺点无上下管直通风险、无需配置死区时间结构简单、成本低、驱动逻辑简单电路切换瞬间存在短暂死区会触发MOS体二极管短暂续流产生约0.7V负压台阶常态以肖特基续流为主体二极管仅短时工作。缺点是续流二极管存在固定导通压降重载损耗偏大效率上限低于同步Buck适合中小功率场景。同步Buck上下双MOS管同步 Buck 控制器外围电路详解拓扑结构上下两颗NMOS管互补导通替代外置续流二极管。上管高边MOS负责开关导通阶段给电感充电下管低边MOS在开关关断阶段替代肖特基二极管续流两颗管子由PWM驱动信号互补控制同一时刻只有一颗导通。核心特性导通损耗更低、效率更高适合大功率场景。相比异步Buck中肖特基二极管0.3~0.5V的固定压降同步Buck用MOS管的导通电阻Rdson通常仅几毫欧到几十毫欧替代压降大幅降低重载大电流下效率优势尤其明显同时省去了二极管反向恢复损耗开关频率可以做得更高磁性元件体积更小。但代价是存在上下管同时导通短路炸管风险必须配置死区时间。死区时间工作机理上下管切换瞬间双管同时关断避免电源直通短路死区期间电感电流无法中断通过下管MOS体二极管续流维持负载电流连续。死区时间既不能太长否则体二极管导通损耗增加、效率下降也不能太短否则上下管直通炸管实际设计中通常由控制器内部自动调节或通过外部电阻配置典型值在几十纳秒到几百纳秒量级。同步BUCK一般会用两个NMOS为什么不用PMOSPMOS的导通电阻R_ds_on比NMOS高所以损耗大。注_ds代表D和S之间_on代表导通。NMOS的开关速度比PMOS快这也有助于减小损耗众所众知MOS的损耗主要发生在开关瞬间也即半打开的状态时。同样指标参数下PMOS更贵成本高。自举电容电容连接在芯片的SW和boot管脚之间这个电容称之为自举电容。在BS和SW之间接一个0.01uf的电容用来给上管供电。这里的上管自然是内部开关MOS管的上管了。上图是MP1484芯片内部图。可以看到开关管是2个NMOS管。DC-DC在工作时SW管脚电压在M2导通时是接GND的在M2断开时是接VINSW电压与电源输入VIN相同。上管M1的Vgs由驱动器控制我们知道要想Vgs要能够导通Vgs必须要大于M1的导通门限Vgsth。因为驱动器的电源负端在M2断开时电压已经是与源输入Vin相同了所以驱动器的供电必须大于Vin。在M2导通时SW接到了GND自举电容一端也接到了GND5V通过二极管给上管M1供电并且给自举电容充电。在M2由导通变为关闭的时SW由GND变为VIN自举电容两端的电压不能突变因此Boot端被升到大于Vin电压给驱动器进行供电。自举电容存在的能量应能满足整个M2关闭时提供的能量以及为下一次启动提供能量。如果内部2个开关管都是NMOS管那么是需要自举电容的。但是有的BUCK芯片上管是PMOS管不需要产生比Vin还高的电压也就不需要boot电容。如下图为某buck芯片的内部框图Buck电路SW波形分析同步这两篇写得很好可供参考减小同步Buck变换器开关节点振荡的三种方法Buck的振铃实验与分析由于寄生参数的存在开关电源电路在开关动作瞬间会产生开关振铃。振铃的存在可能使得开关管承受的电压超过其耐压值而发生击穿另一方面开关振铃为远超开关频率的高频振铃并伴随很高的 dV/dt会带来传导和辐射的 EMI 问题可能会使得终端产品不能通过 EMI 标准测试更严重时甚至会干扰开关电源自身的信号电路或临近的其他功能电路的正常工作。理想的同步 Buck 变换器如图 1 所示但是在实际的同步 Buck 变换器中需要将寄生参数考虑在内如图 2 所示。D1 和 D2 分别为 S1 和 S2 的体二极管C1 和 C2 分别为 S1 和 S2 的漏源电容Rbus和 Lbus为传输线上的寄生电阻和寄生电感Rbulk和 Lbulk为大电容一般为电解电容或大容值的陶瓷电容上的寄生电阻和寄生电感Rsm 和 Lsm 为小电容一般为陶瓷电容上的寄生电阻和寄生电感Rboard、Lboard、Rloop和 Lloop为 layout 引入的寄生电阻和寄生电感RDCR为电感的直流电阻。死区时间上管 S1 关闭下管 S2 还没有打开电感电流不能突变只能流过下管 MOS 的体二极管 D2续流。紧接着上管 S1 快速开通S1 导通瞬间输入侧高频去耦电容 Csm要给下管 MOS 的 Coss 电容快速充电。这个瞬间大电流流过环路寄生电感 Lsum直接把 LC 谐振回路 “敲了一下”就像敲钟钟开始振荡于是 SW 节点就出现一串衰减的高低起伏波形 —— 就是振铃。额外加剧振铃的因素体二极管反向恢复 Qrr死区下体二极管导通二极管内部会存储少子电荷当上管重新开通要把这部分电荷抽走产生很大反向恢复尖峰电流进一步激励 LC 回路放大振铃幅度。异步 Buck振铃来源拓扑不一样但原理相通Q1 MOS 开通瞬间给续流肖特基二极管结电容、PCB 杂散电容充电PCB 功率走线 MOS 封装寄生电感和结电容形成 LC 谐振产生 SW 振铃。异步没有 BOOT 电路所以不能用 Rboot 手段抑制只能靠 PCB 布局、输入高频去耦电容、SW 对地 RC‑Snubber。为什么示波器有时候看到 “假振铃”SW 是高速 dv/dt 节点如果示波器地线用长鳄鱼夹地线本身带来很大寄生电感波形会出来巨大虚假振铃。测 SW 振铃必须使用示波器弹簧短地线。Buck公式汇总 Buck工作原理
文章目录前言伏秒平衡CCM/DCM两种工作模式工作原理异步BuckMOS管肖特基二极管开关导通阶段T_on电感充电开关关断阶段T_off电感放电同步Buck上下双MOS管自举电容Buck电路SW波形分析同步异步 Buck振铃来源为什么示波器有时候看到 “假振铃”Buck公式汇总前言所有DC-DC Buck降压电路的设计逻辑全部源自两个基础物理公式电感伏安关系U L d i d t UL\frac{di}{dt}ULdtdi电容充放电关系I C d u d t IC\frac{du}{dt}ICdtdu所有稳态公式、纹波、振铃、损耗、工作模式都可以通过器件充放电过程推导得出无需死记硬背。理想电路公式仅为理论设计基准实际硬件存在MOS寄生参数、电感电容寄生、PCB走线寄生电感/电阻、二极管压降等非理想特性。因此工程设计必须预留安全余量仿真辅助定性分析最终以实物实测波形、效率、EMI结果为准。伏秒平衡Buck变换器稳态工作时电感在一个周期内电感电压对时间积分等于 0是输出稳压的核心理论依据。异步BuckMOS肖特基续流精准公式V i ⋅ T o n ( V o V f ) ⋅ T o f f V_i \cdot T_{on} (V_oV_f)\cdot T_{off}Vi⋅Ton(VoVf)⋅Toff参数释义Vi输入电压Ton上管导通时间Vo输出电压Vf肖特基二极管正向导通压降0.3~0.5VToff续流时间理想简化公式忽略器件压降V o V i ⋅ D V_oV_i \cdot DVoVi⋅D参数释义D为开关占空比DTon/(TonToff)降压电路占空比恒小于1。CCM/DCM两种工作模式根据电感电流在开关周期内的状态Buck分为两种工作模式直接影响输出纹波、环路稳定性和瞬态响应CCM连续导通模式中重载主流全周期内电感电流是连续的即电流始终在上升或下降时无电流断档。优势输出稳压精度高、纹波小、环路稳定、瞬态响应好绝大多数常规负载工况默认工作在CCM。如果输出负载在同步转换器中减轻IL可以在电感波动的谷底接近甚至降至0 A。这仍然是CCM因为电感电流始终在上升DCM断续导通模式轻载工况轻载时在电感电流达到零时关闭两个FET图1的开关VSW 未连接到VIN 或GND — 它处于浮动状态。优势大幅降低轻载开关损耗、提升轻载效率缺点环路模型改变、稳定性变差、输出纹波增大。工作原理异步BuckMOS管肖特基二极管先认全 Buck 基础零件输入电源V_i、储能电感L、主控 MOS 开关、整流肖特基二极管、输入滤波电容C_i、输出滤波电容C_o、负载R_L输出V_o。器件分工1.C_i平滑输入电压波动削弱前端电源侧的纹波干扰2.L核心储能元件依靠电流不可突变特性完成降压3.MOS 管PWM 信号控制周期性通断切换电感充放电状态4. 肖特基二极管核心作用为MOS关断阶段正向续流、为电感提供续流回路MOS导通阶段反向截止阻断电流倒灌无隔离高压、防止输出电容反向放电的作用5.C_o稳压滤波开关导通时独立为负载供电、平缓输出电压纹波。核心特性无上下管直通风险、无需死区时间续流压降为肖特基低压降0.3~0.5V无体二极管负压台阶结构简单、成本低适合中小功率场景。开关导通阶段T_on电感充电开关导通时二极管不导通我们看电感电感左边是Vi右边是Vo因为是降压所以左边大于右边那么电感两端电压是Vi-Vo为恒定值。如果把电感电流向右定义为正那么电感电流是线性增大的因为L*di/dtVi-Vo那么di/dt(Vi-Vo)/L常数。开关关断阶段T_off电感放电开关断开时电感要续流会产生反向电动势让二极管导通二极管导通电压是Vd。因为二极管阳极接地所以阴极电压是-Vd也就是电感左边的电压就是-Vd右边的电压是Vo不变因此电感两端电压是-Vd-Vo。此时电感电流是线性减小的因为L*di/dt-Vd-Vodi/dt-(VoVd)/L常数并且是负值所以是线性减小的。在开关导通的时候电感两端电压是Vi-Vo。在开关断开的时候输出端电压为Vo二极管导通那么电感右侧就是Vo电感左侧接的是-Vd所以此时电感两端电压是VoVd。整个电路稳定之后因为负载电流恒定那么一个周期时间之内在开关导通时电感电流增加的量要等于开关截止时电感电流减小的量即电感充了多少电就要放多少电不然负载的电流或者电压就要发生变化。即一个周期内电感电流增大量等于减小量。然后又因为ULdi/dtdi/dtU/LL不变所以电感电流变化速度与电压成正比。简单说就是电感电流上升或下降的斜率与电压成正比。异步Buck核心优缺点无上下管直通风险、无需配置死区时间结构简单、成本低、驱动逻辑简单电路切换瞬间存在短暂死区会触发MOS体二极管短暂续流产生约0.7V负压台阶常态以肖特基续流为主体二极管仅短时工作。缺点是续流二极管存在固定导通压降重载损耗偏大效率上限低于同步Buck适合中小功率场景。同步Buck上下双MOS管同步 Buck 控制器外围电路详解拓扑结构上下两颗NMOS管互补导通替代外置续流二极管。上管高边MOS负责开关导通阶段给电感充电下管低边MOS在开关关断阶段替代肖特基二极管续流两颗管子由PWM驱动信号互补控制同一时刻只有一颗导通。核心特性导通损耗更低、效率更高适合大功率场景。相比异步Buck中肖特基二极管0.3~0.5V的固定压降同步Buck用MOS管的导通电阻Rdson通常仅几毫欧到几十毫欧替代压降大幅降低重载大电流下效率优势尤其明显同时省去了二极管反向恢复损耗开关频率可以做得更高磁性元件体积更小。但代价是存在上下管同时导通短路炸管风险必须配置死区时间。死区时间工作机理上下管切换瞬间双管同时关断避免电源直通短路死区期间电感电流无法中断通过下管MOS体二极管续流维持负载电流连续。死区时间既不能太长否则体二极管导通损耗增加、效率下降也不能太短否则上下管直通炸管实际设计中通常由控制器内部自动调节或通过外部电阻配置典型值在几十纳秒到几百纳秒量级。同步BUCK一般会用两个NMOS为什么不用PMOSPMOS的导通电阻R_ds_on比NMOS高所以损耗大。注_ds代表D和S之间_on代表导通。NMOS的开关速度比PMOS快这也有助于减小损耗众所众知MOS的损耗主要发生在开关瞬间也即半打开的状态时。同样指标参数下PMOS更贵成本高。自举电容电容连接在芯片的SW和boot管脚之间这个电容称之为自举电容。在BS和SW之间接一个0.01uf的电容用来给上管供电。这里的上管自然是内部开关MOS管的上管了。上图是MP1484芯片内部图。可以看到开关管是2个NMOS管。DC-DC在工作时SW管脚电压在M2导通时是接GND的在M2断开时是接VINSW电压与电源输入VIN相同。上管M1的Vgs由驱动器控制我们知道要想Vgs要能够导通Vgs必须要大于M1的导通门限Vgsth。因为驱动器的电源负端在M2断开时电压已经是与源输入Vin相同了所以驱动器的供电必须大于Vin。在M2导通时SW接到了GND自举电容一端也接到了GND5V通过二极管给上管M1供电并且给自举电容充电。在M2由导通变为关闭的时SW由GND变为VIN自举电容两端的电压不能突变因此Boot端被升到大于Vin电压给驱动器进行供电。自举电容存在的能量应能满足整个M2关闭时提供的能量以及为下一次启动提供能量。如果内部2个开关管都是NMOS管那么是需要自举电容的。但是有的BUCK芯片上管是PMOS管不需要产生比Vin还高的电压也就不需要boot电容。如下图为某buck芯片的内部框图Buck电路SW波形分析同步这两篇写得很好可供参考减小同步Buck变换器开关节点振荡的三种方法Buck的振铃实验与分析由于寄生参数的存在开关电源电路在开关动作瞬间会产生开关振铃。振铃的存在可能使得开关管承受的电压超过其耐压值而发生击穿另一方面开关振铃为远超开关频率的高频振铃并伴随很高的 dV/dt会带来传导和辐射的 EMI 问题可能会使得终端产品不能通过 EMI 标准测试更严重时甚至会干扰开关电源自身的信号电路或临近的其他功能电路的正常工作。理想的同步 Buck 变换器如图 1 所示但是在实际的同步 Buck 变换器中需要将寄生参数考虑在内如图 2 所示。D1 和 D2 分别为 S1 和 S2 的体二极管C1 和 C2 分别为 S1 和 S2 的漏源电容Rbus和 Lbus为传输线上的寄生电阻和寄生电感Rbulk和 Lbulk为大电容一般为电解电容或大容值的陶瓷电容上的寄生电阻和寄生电感Rsm 和 Lsm 为小电容一般为陶瓷电容上的寄生电阻和寄生电感Rboard、Lboard、Rloop和 Lloop为 layout 引入的寄生电阻和寄生电感RDCR为电感的直流电阻。死区时间上管 S1 关闭下管 S2 还没有打开电感电流不能突变只能流过下管 MOS 的体二极管 D2续流。紧接着上管 S1 快速开通S1 导通瞬间输入侧高频去耦电容 Csm要给下管 MOS 的 Coss 电容快速充电。这个瞬间大电流流过环路寄生电感 Lsum直接把 LC 谐振回路 “敲了一下”就像敲钟钟开始振荡于是 SW 节点就出现一串衰减的高低起伏波形 —— 就是振铃。额外加剧振铃的因素体二极管反向恢复 Qrr死区下体二极管导通二极管内部会存储少子电荷当上管重新开通要把这部分电荷抽走产生很大反向恢复尖峰电流进一步激励 LC 回路放大振铃幅度。异步 Buck振铃来源拓扑不一样但原理相通Q1 MOS 开通瞬间给续流肖特基二极管结电容、PCB 杂散电容充电PCB 功率走线 MOS 封装寄生电感和结电容形成 LC 谐振产生 SW 振铃。异步没有 BOOT 电路所以不能用 Rboot 手段抑制只能靠 PCB 布局、输入高频去耦电容、SW 对地 RC‑Snubber。为什么示波器有时候看到 “假振铃”SW 是高速 dv/dt 节点如果示波器地线用长鳄鱼夹地线本身带来很大寄生电感波形会出来巨大虚假振铃。测 SW 振铃必须使用示波器弹簧短地线。Buck公式汇总