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降压型开关直流电源的发展

直流电源作为电子产品的动力中枢,其续航才能直接决议着电子产品的运用寿命。跟着集成电路制作技能的不断进步,数字电路的电源电压一向降低,但体系的供电电源仍是在较高的电位,因而有必要靠降压型电源来供给较低的供电电源。开关电源技能问世之前,线性电源作为各类电子产品的首要电源,能够完成直流高电压向直流低电压的单向变换,适用于低压差的电压变换和低负载电流的运用。要进步电子产品的功用,节约能源,关键是要处理电源的功用疑问。因为开关电源具有功耗小、变换功率高级优秀功用,加上出产本钱低,现已逐步替代了线性电源,在电子职业得以广泛运用。

开关电源开展之初,功率级多选用分立器材,运用简略的异步整流技能,如图(1)所示。

降压型开关直流电源
同步整流技能选用MOSFET替代整流二极管,因为MOSFET的导通电阻很低,整流器材的导通损耗大大降低,进步了变换功率,同步整流技能特别适合运用在低电压、大电流的场合。同步整流BUCK如图(2)所示。

降压型开关直流电源
进入90年代中后期,跟着集成电路的开展,MOS分立元件集成到芯片中,DCDC BUCK全体功用大幅进步,一起降低了本钱,显示出强壮的生命力。关于电流不是很大的BUCK, 功率级High Side MOS多选用PMOS,这么操控电路简略。而关于大电流BUCK,则改用经济的NMOS,NMOS的栅电压要经过自举电路抬高,如图(3)所示。

降压型开关直流电源
DCDC按操控环路可分为电压形式操控(图4)和电流形式操控(图5)。

降压型开关直流电源

降压型开关直流电源
电压操控形式体系结构简略,因其只需电压反应一个环路,动态呼应慢,存在双极点,抵偿杂乱。电流形式操控在保存电压操控形式的基础上,又添加了一个电流反应环,即存在电压反应外环和电流反应内环的双环操控体系。电流形式操控闭环呼应快,单极点体系易于抵偿。但当占空比(D)大于50%时,易发生次谐波振荡,各种谐波抵偿电路应运而生,弥补了缺乏,在很长一段时间,电流形式操控DCDC一向是电源的干流。

遭到摩尔定律的指引,半导体制程的线宽不断减小,智能手机、平板电脑和数码相机等市场上的便携式设备做得越来越轻薄,功用越来越强壮。但是数码产品所需电源电压不断降低,电流不断添加,对电源功用的请求不断进步,传统PWM形式DCDC,已不能满意市场需求。

近些年,COT(Constant-On-Time)操控架构得以广泛运用。COT架构的DCDC具有几大优势:1、操控电路简略,不需求差错放大器和电流采样电阻。2、对负载的改变呼应迅速。3、轻载时仍有较高功率。输出级电容的ESR(串联等效电阻)自带电感电流信息,只需其“信息”足够(所发生纹波能够和电容纹波比较)就能够作为电流检查电阻运用,以完成只用输出电压就能够取得电流形式操控[1] [2] [3]。在输出电压纹波请求不高的运用中,能够在电容上叠加一个电阻去发生这么的纹波信号,如图(6)中的R3。

降压型开关直流电源

一般用具有较高ESR的电容(电解电容,固态电容(OSCON),高分子有机半导体固体电容器(POSCAP))来完成这种纹波。受严厉的输出调整电压标准约束,以及本钱和尺度压缩的需求,电源设计者转向本钱更低,尺度更小,ESR更低的陶瓷电容(ceramic)[1]。运用带陶瓷电容的COT架构,就有必要“造出”带有电感电流信息的幅度足够大的纹波,图(7)为纹波发生电路,发生的纹波可由公式(1)计算得出[1]。

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V_(CX(PP))=(I_(L(PP))×L)/(R_X×C_X )

公式(1)

与图(6)同一款芯片的另一种运用,如图(8)所示:为取得较小的输出纹波,不必R3,而用RA, CA发生了带有足够电感电流“信息”的纹波,加载在反应电压信号上。

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思瑞浦研制的TPP2020 DCDC BUCK,选用COT技能,输入电压最高可达20V,输出电压5V到1V,输出电流可达3A,功率最高可达93%,其运用电路如图(9)所示。

降压型开关直流电源
DCDC BUCK跟着微电子技能的开展以及电子产品电源的需求而不断创新,从异步整流到同步整流,功率器材从片外分立MOS到片内集成大功率MOS,从单环电压形式到双环电流形式,从杂乱环路和抵偿电路到简略的COT架构(差错放大器,抵偿电路,甚至振荡器都能够不要),从PWM到PFM操作……现在COT架构更是以其无以伦比的优势在电源范畴得以大力开展。将来,还会有新的技能不断发明出来、融入进来,使咱们的DCDC BUCK功用更加杰出…

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