从图中可以看出 Vin 跟 D 成反比, 虽然变化的速率不同, 但是变化的趋势是一致的图中 Vin 随 D 的变化规律也有各自的特点对于 BUCK 电路, 当 Vin 很高的时候需要电路能提供很小的 D 以维持 Vout 的恒定, 所以对于 BUCK 电路芯片, 如果允许的输入电压范围越宽, 则

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也宁
5 years ago
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1 图表分析和 WEBENCH 仿真确定开关电源最恶劣的情况设计一个可以工作的开关电源也许不是一件难事, 但是设计一个性能良好, 可靠性高的开关电源不是一件容易的事情根据前面的分析, 我们知道开关电源里的电流是周期性变化的, 电流的变化跟哪些变量有关, 电流变化最恶劣的情况又是如何? 本节对这个问题进行分析, 并充分利用图示和仿真的方法说明电流变化情况也希望读者在以后的电源学习和开发中利用图表帮助理解电源并解决问题在初学开关电源的时候, 建议读者先把各个器件当做理想器件, 暂不考虑无效的压降和损失的电流, 搞清楚开关电源的规律后再将各种实际因素加入将电源看做一个黑盒, 它的输入是 Vin, 开关频率是 f, 输出是 Vout, 输出电流是应用当中由于电源的负反馈作用,Vout 可以保持不变 ( 恒压源 ), 这样分析电源的变化规律就方便一些 Vin 和 f 的变化会引起电源内部的调节, 以维持 Vout 和不变所以理解 Vin f 跟电源内部参数的变化规律至关重要 1) 先看一下 Vin 和占空比 D 的关系回顾一下 4.1 节前的内容, 根据伏秒定理得到 Vin 和 Vout D 的公式 : 类型输出电压 BUCK Vo=Vin*D BOOST Vo=Vin/(1-D) BUCK-BOOST Vo=Vin*D/(1-D) 从公式可以看出 Vin 只跟 Vout 和 D 有关, 跟开关频率 f 无关我们将这个关系绘制出曲线更为直接, 根据一般应用可以固定 Vout=5V,D 从 0.05 线性变化到 0.95, 用电子表格计算 Vin 的变化, 然后将 Vin 作为 Y 轴,D 作为 X 轴绘图 : 120 Vin of BUCK vs duty cycle Vout Vin 6 Vin of BOOST vs duty cycle Vout Vin 100 Vin of BUCK-BOOST vs duty cycle Vout Vin duty cycle duty cycle duty cycle

从图中可以看出 Vin 跟 D 成反比, 虽然变化的速率不同, 但是变化的趋势是一致的图中 Vin 随 D 的变化规律也有各自的特点对于 BUCK 电路, 当 Vin 很高的时候需要电路能提供很小的 D 以维持 Vout 的恒定, 所以对于 BUCK 电路芯片,

D=0.5 时,Vin=Vout D 大于 0.5 则工作在升压,D 小于 0.5 则工作在降压 2) 分析一下 ΔI 随 Vin 变化规律先回顾一下 4.

它的峰值影响到电流最大值, 也就是影响到开关电源中元件的最大电流选取在电感 L 两端加恒压时, 电感中的电流以固定斜率增加, 同理电感中的电流以固定斜率释放时, 产生恒定电压这个原理跟电容相似, 电容给予恒定电流时, 电容上的电压以固定斜率增加, 电容上的电压以固定斜率放电时,

2 从图中可以看出 Vin 跟 D 成反比, 虽然变化的速率不同, 但是变化的趋势是一致的图中 Vin 随 D 的变化规律也有各自的特点对于 BUCK 电路, 当 Vin 很高的时候需要电路能提供很小的 D 以维持 Vout 的恒定, 所以对于 BUCK 电路芯片, 如果允许的输入电压范围越宽, 则芯片的占空比调节能力越强输入电压范围同时跟芯片的最高耐压有关对于 BOOST 电路, 当 Vin 小于 Vout 较多时, 需要电路提供较大的 D 才能满足升压需要所以输入电压范围越宽, 芯片占空比调节能力越大对于 BUCK-BOOST 电路, 在 D=0.5 时,Vin=Vout D 大于 0.5 则工作在升压,D 小于 0.5 则工作在降压 2) 分析一下 ΔI 随 Vin 变化规律先回顾一下 4.3 小节中分析 I 的过程, 其中是用 BUCK 举例分析基本原理就是 2* I= 充电斜率充电时间细心的读者可以发现 2* I 也等于放电斜率放电时间这是因为电感在开关电源稳定工作的时候, 吸收的能量等于释放的能量 ΔI 重要的原因是 ΔI 是叠加在直流电流上的分量, 它的峰值影响到电流最大值, 也就是影响到开关电源中元件的最大电流选取在电感 L 两端加恒压时, 电感中的电流以固定斜率增加, 同理电感中的电流以固定斜率释放时, 产生恒定电压这个原理跟电容相似, 电容给予恒定电流时, 电容上的电压以固定斜率增加, 电容上的电压以固定斜率放电时, 电容产生恒定电流输出电感和电容的对偶特定在电源分析中很有帮助 ( 开关电源频率 f, 占空时间分别为 D 1/f,(1-D) 1/f) I 求解表格 Topology BUCK BOOST BUCK-BOOST Circuit 充电周期电感电流斜率放电周期电感电流斜率充电时间 D 1/f D 1/f D 1/f 放电时间 (1-D) 1/f (1-D) 1/f (1-D) 1/f I= 0.5 充电斜率 I= D 1/f I= D 1/f D 1/f

3 充电时间伏秒原理 Vout=Vin*D Vout=Vin/(1-D) Vout=Vin*D/(1-D) 用伏秒原理消去 ΔI 中的 D I= 1/f I= 1/f 1/f ( 注 : 从 I 的公式可以看出,f 在分母上, 当其他变量不变化时, 增大 f 可以减小 I, 也就是提高开关频率可以使输出电压纹波变小 ) 从公式中很难直观看出 ΔI 的变化规律, 所以我们在理解了公式推导后, 就需要借助图表的方法画出曲线来分析规律, 直观的看出变化趋势将 Vout=5V, 开关频率 f=1mhz,vin 作为 X 轴, ΔI 作为 Y 轴, 绘图从图中可以看出 ΔI 的变化规律 ΔI of BUCK vs Vin 对于 BUCK 和 BUCK-BOOST 电路,ΔI 随 Vin 的增加而增加这说明 Vin 的增加会使电流波动增加 ΔI unit A Vin unit V 对于 BOOST 电路,ΔI 随 Vin 的增加有从小到大再到小的过程, 所以在 Vin 处于中间电压时 (D=0.5) 电流波动最大 ΔI of BOOST vs Vin ΔI unit A Vin unit V ΔI of BUCK-BOOST vs Vin ΔI unit A Vin unit V 3) 分析 ΔI 和 D 的变化关系在求解 ΔI 的表格中, 如果利用伏秒原理将 Vin 消去, 就可以得到 ΔI 和 D 的关系, 绘制曲线如下, 这个曲线有用的地方在于横坐标是 D, 占空比 D* 开关周期 T 就变换到时间, 就相当于 X 轴是时间这样 Y 轴电流 I 的变化量的斜率就是电感 L 的充电和放电速率 ( 电流变化量 = 电流斜率 * 时间 ) 例如下图 BUCK 电源的 ΔI 和 D 曲线 :

AB 段对应 X 轴的 D,AC 段对应 (1-D),AB 段就是 L 的充电速率,AC 段就是 L 的放电速率, 可以看出 AC 段的斜率是不变的, 也就是 Vout 恒定 (BUCK 放电速率 =,Vout= 放电斜率 *L) AB 段随着 A 点位置变化 ( 也就是 D 变化 ),AB 段的斜率从大到小变化结合前面 Vin 和 D 的曲线图可以看到 :Vin 和 Vout 越接近,

4 AB 段对应 X 轴的 D,AC 段对应 (1-D),AB 段就是 L 的充电速率,AC 段就是 L 的放电速率, 可以看出 AC 段的斜率是不变的, 也就是 Vout 恒定 (BUCK 放电速率 =,Vout= 放电斜率 *L) AB 段随着 A 点位置变化 ( 也就是 D 变化 ),AB 段的斜率从大到小变化结合前面 Vin 和 D 的曲线图可以看到 :Vin 和 Vout 越接近, 充电斜率越小, 并且 ΔI 越小这个曲线的另一个有用之处在于, 它上面画出的折线跟用示波器测试电感电流的交流分量是一致的, 反应的就是 ΔI 随时间的变化一副 BUCK 电源的电感电流实测图如下, 方波是 MOSFET 的 Vds 电压, 用于标明占空比 D, 三角形的是电感电流波形, 其中的直流分量是后面小节会讲到 ( 读者可以用示波器实测一下, 当改变 Vin 时, 占空比 D 变化, 但是放电斜率不变 ) 再看一下 BOOST 的 ΔI 和 D 关系曲线跟 BUCK 的绘制方法类似, 如下图 :

5 图中画出 AB 和 AC 折线, 这里的折线斜率也是 L 的充电和放电斜率由于 BOOST 的电路结构, 放电斜率不恒定 ( 公式见前面表格,Vout= 放电斜率 *L+Vin) 同理折线跟用示波器观察 L 的交流分量一致最后看一下 BUCK-BOOST 的 ΔI 和 D 关系曲线, 参考前面 BUCK-BOOST 电路结构和公式表格, 电感充电时跟 Vin 相连, 充电斜率, 放电时电感和负载相连, 放电斜率所以 AB 端的斜率表示 Vin 电压,AC 端的斜率表示 Vout

6 在 D=0.5 时,Vin=Vout, 两直线斜率相等 0.5 右边 AB 斜率小于 AC 斜率, 即 Vin<Vout 是升压功能同理小于 0.5 的部分是降压可以看到通过图形分析 BUCK-BOOST 电路特点一目了然 4) 电流直流分量分析分析完了交流分量 ΔI, 再来看看直流分量分量十分重要, 因为可以得到电流的峰值在分析前, 我们先看看输出电容 Cout 的影响由于 Vout 恒定, 所以 Cout 流入的电流和流出的电流相同, 也就是说 Cout 提供的电流只影响输出电流的交流分量, 对电流直流分量的贡献为零在推导前, 先看看电感,MOSFET, 二极管中的电流, 以及负载电流和输出电容电流通过直观的认识这些电流的关系, 帮助读者更好的理解负载电流和的关系, 以及那些元件需要承受, 随 Vin 变化的关系 LM22677 是一款典型的 BUCK 开关电源, 其内部集成了 MOSFET, 外部接电感电容和二极管即可工作我们以 LM22677 为例, 在 WEBENCH 中进行仿真, 观察这些电流的变化关系 WEBENCH 仿真工具的使用请参考第六章下面仅对关键步骤截图说明在 WEBENCH 的稳态仿真中添加各波形后, 需要对 Y 轴坐标进行统一, 这样方便观察波形间的幅度联系打开 wave controls 菜单, 在 loaded waveforms 中点击 group voltages group currents 对 Y 轴坐标统一刻度如下图 : 口 LM22677 原理图如下, 在进行完稳态仿真后双击方框中的测试点即可添加波形到显示窗

7 本例中添加了几个关键的电流波形读者有兴趣的话可以再添加其他测试点观察双击测试点后, 波形以先后顺序显示在窗口中 ( 在波形名称上按住左键, 相应波形会高亮显示, 用于波形重叠的时候 ) 仿真电流波形如下图 :( 纸质版不清楚的可以参看电子版的彩色图 ) Iout 是负载电流,ID 是二极管电流,ISW 是 MOSFET 电流,ICout 是输出电容电流

8 从图中可以看到负载电流在电感 I 波动的中间也就是负载电流 = 电感的直流分量这是因为 BUCK 电路结构将 L 连接到输出端 L 的充电和放电时的电流都会传递到输出端所以电感电流直流分量等于另外图中电容电流 ICout 的正向电流面积和反向电流面积相同, 也就是流入电容电流和流出相等, 输出电容对的直流分量不影响图中跟电感 L 电流曲线重合部分是 ISW 和 ID 电流,ISW 在 D 内给电感充电,ID 在 1-D 内给电感提供放电路径, 一个电流存在时另一个电流为零所以 ISW 和 ID 电流组合起来就得到电感电流再看一下 BOOST 电路中的电流情况 LM2585 是一款典型的 BOOST 电路, 内部集成了 MOSFET, 外部接电感电容和二极管就可以工作进行稳态仿真后, 同样将下图方框中的电流测试点加入波形显示依次加入关键电流后的仿真波形如下图 :

9 图中可以看到负载电流远低于电感电流直流分量这是因为 BOOST 电路结构将二极管跟负载相连, 二极管的脉冲电流直流分量提供给 Iout 所以二极管电流脉宽(1-D) 越窄, 所需的越大从二极管的脉冲电流面积跟 Iout 面积相等可以得出另外从 ICout 电流可以看出, 在电感充电期间 (D 内 ),ICout 等于 Iout( 图中 -0.5), 此时电容放电 ; 在电感放电期间 ICout = ID Iout, 电容充电电感充电期间的能量完全由 Cout 提供, 所以可以看到 Cout 中的电流流动比 BUCK 电路大得多, 也就是对于 BOOST 电路,Cout 要承受更大的应力 BUCK-BOOST 电源与 BOOST 类似, 都是二极管作为输出电流开关, 可以得到跟 BOOST 相同的结果通过上面的分析, 我们直观的了解了的变化规律将和的关系汇总在表格中类型和的关系 BUCK BOOST BUCK-BOOST 现在将跟 Vin 的关系绘制为曲线图, 如下 (Vout=5V,Iout=1A, 用伏秒定理将公式中的 D 用 Vin 和 Vout 代替, 即可画出 Vin 和曲线图 ): Idc of BUCK vs Vin I DC Idc of BOOST vs Vin I DC Idc of BUCK-BOOST vs Vin I Vin unit V Vin unit V Vin unit V 从图中可以看到 BUCK 电路中, 不随 Vin 变化 BOOST 和 BUCK-BOOST 中的随 Vin 增大而减小, 参考之前分析的 Vin 和 D 的关系, 这是因为 Vin 增大后 D 减小, 二极管的脉宽 1-D 增大, 面积增大,Iout 不变时降低

5) 开关电源中的功率分析前面的分析中我们了解了伏秒定理以及 Iout 和和 Pout 的关系的关系, 这里用这两个规律推导一下 Pin BUCK BOOST BUCK-BOOST Iout 和的关系 Vin 接入电源时间 D*T T D*T Vout 输出时间 T T T 输入功率 Pin Vin * *D*T Vin* *T Vin* *D*T 输出功率 Pout

10 5) 开关电源中的功率分析前面的分析中我们了解了伏秒定理以及 Iout 和和 Pout 的关系的关系, 这里用这两个规律推导一下 Pin BUCK BOOST BUCK-BOOST Iout 和的关系 Vin 接入电源时间 D*T T D*T Vout 输出时间 T T T 输入功率 Pin Vin * *D*T Vin* *T Vin* *D*T 输出功率 Pout Vout*Iout*T Vout*Iout*T Vout*Iout*T 伏秒定理 Vout=Vin*D Vout=Vin/(1-D) Vout=Vin*D/(1-D) 输出功率 ( 将伏秒定理代入 ) Vin*D*Iout*T Vin/(1-D) *Iout*T Vin*D/(1-D)*Iout*T 输出功率 ( 将 Iout 代入 ) Vin*D* *T Vin* *T Vin*D* *T 结果 Pin=Pout Pin=Pout Pin=Pout 从这个表格推导过程可以看出, 这些物理关系的最终情况都是能量守恒 ( 理想器件, 不计损耗情况下 ) 所以在学习电源的过程中, 把握住能量的流动方向流动规律是学好电源的捷径 6) WEBENCH 仿真验证用 WEBENCH 仿真工具来看一下随 Vin 的变化情况, 对前面的分析做一下验证考虑到 BUCK-BOOST 跟 BOOST 的情况类似, 这里用 BUCK 和 BOOST 电路来仿真用 BUCK 电路仿真

11 IL 电感电流,Iout 负载电流,VSW 为 MOSFET 源极电压,Iin 输出电流 Vin Vout L uh F khz delta I A A 左图右图可以看到 vin 变化后不变, 但是 ΔI 变大, 这跟之前的分析一致 1 1 A 用 BOOST 电路仿真 IL 电感电流,Iout 负载电流,VSW 为 MOSFET 源极电压,Iin 输出电流 Vin Vout L uh F khz delta I A A A 左图右图可以看到 vin 变大后减小,ΔI 变大 (Vin=15V 时 D=0.5,ΔI 最大 ), 这跟之前的分析一致

12 7) 总结通过本节的分析, 读者可以看到图表的重要性, 更能帮助工程师找到电源参数变化的规律并且结合仿真工具 WEBENCH, 对电源的学习起到事半功倍的效果下面将 ΔI 和随 Vin 变化图放在一起, 图片缩小, 只需要看到变化趋势即可 ΔI 随 Vin 变化曲线 BUCK BOOST BUCK-BOOST 随 Vin 变化曲线 Ipeak=Δ I+ Ipeak 随 Vin 变化曲线从 Ipeak 随 Vin 变化的曲线可以看出 : 设计 BUCK 电路时要按照最大输入电压设计, 在最大输入电压时条件最苛刻设计 BOOST 和 BUCK-BOOST 时要按照最小输入电压设计, 在最小输入电压时条件最苛刻

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WEBENCH 在电源仿真中的应用图表分析和 WEBENCH 仿真确定开关电源最恶劣的情况 Agenda 图表分析和 WEBENCH 仿真确定开关电源最恶劣的情况 - Vin 和占空比 D 的关系 - ΔI 随 Vin 变化规律 - 分析 ΔI 和 D 的变化关系 - 电流直流分量分析 (WEBENCH 仿真 ) - WEBENCH 仿真验证 - 总结 WEBENCH 仿真实战 2 设计一个可以工作的开关电源也许不是一件难事,