DC-DC基础知识介绍

我是德州仪器的模拟应用工程师 Jason Fan

我目前负责同为上海和太仓的模拟产品技术支持工作

我平时会发现客户在设计电子产品的时候

会遇到很多关于 DC-DC 产品的技术问题

所以我今天为大家讲一下

如何去设计一款 DC-DC 的产品

首先 我会讲一下

首先 我会讲一下

关于 DC-DC 的一些基础知识

其次 我们会去看一下

DC-DC 的一些小信号模型

DC-DC 的一些小信号模型

和它的环路分析

再者 我会举一些例子

如何去设计一款 DC-DC 的一些产品

如何去设计一款 DC-DC 的一些产品

几乎在目前所有的电子产品中

我们都会用到 DC-DC

来把某一路直流电压

去转换成任意我们想要的输出电压

去转换成任意我们想要的输出电压

如果 DC-DC 设计不好的话

其实对我们整个产品都有很大的影响

这是我们今天所要讲的一些例题

首先 我们会先去讲一下

DC-DC 的一些基础知识

第二个 我们会去讲一下

电流模型和 DCAP2 模型的环路分析

来帮助我们理解系统的稳定性

第三个 我们会去讲一下

第三个 我们会去讲一下

电流模型和 DCAP2 的设计的一些实例

这样可以帮助我们在实际设计应用过程中

所需要注意的某些地方

第四个 我们会去讲一下

我们平时是如何去测量一个环路的稳定性

第五个 我们会去讲一下

PCB 板的一些布板原则

最后我们会去引入一些 TI 的 DC-DC 产品

目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构

目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构

有以下这三种方式

第一种是Buck降压型

第二种是Boost升压型

第三种是Buck-boost升降压型

但无论哪种模式

基本上都是通过开关 电感和电容

这三个元器件所组成

首先我们先看降压型

当我的开关导通打到1档时

我的输入电源会对电感和电容进行充电

同时会给负载供电

此时我的电感由于它是磁性元件

它会产生一个左正右负的一个反向电动势

来阻止电流上升

当我的开关打到2档时

当我的开关打到2档时

这个时候我的电感同样也会产生一个

右正左负的一个反向电动势

右正左负的一个反向电动势

来遏制电流下降

此时我的电感和电容会对负载进行放电

那这样的话我就可以通关过开关

在1档和2档之间的一个导通时间

来控制最终的输出电压

从右边这张图我们可以看到

D就是我们平时所说的占空比

它其实就是ton比上整个开关周期t

M就是我的输出电压比上输入电压

所以你可以看到

当我的占空比越高的时候

我的输出电压也是越高的

最终可以达到我的输出等于我的输入

第二种是升压型

当我的开关打到1档时

我的输入电源会对我的电感进行充电

此时

我的负载全部是靠我的输出电容进行放电

当我的开关打到2档时

此时我的电感对电容进行充电

同时也对负载进行放电

同样的道理

我可以通过开关在1档和2档的导通时间

来控制我最终的输出电压

在右边也是它的关系式

当我的占空比变高的时候

我的输出电压也是在不断的上升

最终它会形成一个1除以1减D的一个关系式

第三个是 Buck-boost

这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构

这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构

当然它还有一种结构

是把 Buck 和 Boost 结合在一起的

应该有四个开关在里面

所以这一个我们就不说了

我们先看负压型

其实一样的道理

把开关打到1档

对电感进行充电

然后把开关打到2档

电感对后面的电容和负载进行放电

由于我的电感产生的反向电动势是负压的

所以最终的输出电压也是为负

所以它最终可以产生右边的一个关系式

我们可以看到当占空比越高的时候

它所负压的输出电压也就越高

但我这边要提一点

右边这些所计算出来的公式

都是基于CCM模式

也就是我们平时俗称的连续模式

也就是我们平时俗称的连续模式

如果是在DCM也就是在断续模式的时候

公式会发生变化

这是降压型DC-DC的一个基本架构

它这边是输入电源

开关MOS管 续流二极管

如果是在同步整流里面

我们可以把这个二极管用MOS管来替代

降低导通阻抗从而增加它的效率

这里是输出电感 输出电容 负载

这是反馈电容形成的增益

进入内部误差放大器

和我的参考电压进行比较

同时会输出一个误差信号

进入我的补偿网络

最终形成一个电压控制信号

脉宽调制器里面其实就是我把

脉宽调制器里面其实就是我把

这个电压信号和内部自激产生的一个三角波

进行比较 切割

从而产生一个脉宽的调制信号

通过我的驱动电路

最终驱动MOS管

所以降压型DC-DC是一个标准的

带有负反馈信号的一个控制系统

首先我们先讲一下降压型DC-DC的

第一种控制模式叫 电压型模式

电压型模式的整个控制系统的传递函数

它是由我的驱动极 调制极和补偿极

这三个传递函数的乘积所组成

其中影响最大的就是输出极

因为输出极是由一个电感和一个电容

所组成的一个二阶系统

因为我们都知道

二阶系统它是一个-40dB斜率的一个系统

它会带来一个负180度的相移

会引起系统的不稳定

我们可以从波特图中清楚地发现

在不含补偿网络的电压型控制模式中

由于输出传递函数中带电感和电容的存在

所以它其实是一个二阶系统

也就是说它会以-40dB的一个斜率进行穿越

在穿越频率时所对应的相移是-180度

此时系统引起震荡

如果要改变这一点

我们必须要在

补偿网络的传递函数上面

进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿

进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿

Type Ⅲ 型其实就是一个通过增加两对零点

和两对极点的方式

对某一处的相位进行boost

从而把相位裕度提升上去

从波特图上我们可以发现

在添加了补偿网络以后的增益曲线

我们可以发现

它通过零极点的方式把穿越频率时候的斜率

改变成了-20dB

此时我对应的我的相位裕量

就可以形成40度到90度的相位裕度

但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂

但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂

对应的计算公式也相对来说比较多

所以一般来说 电压型的控制系统

它的补偿设计相对来说会比较繁琐

另外电压型控制模式还有一些不足之处

它相对比于电流型和后面会讲的滞回型模式

它其实对于负载的动态响应

也是会比较差的

另外电压型的模式

它对于输入电压的跳变会受很大影响

所以我们经常会在输入端去添加一个前馈补偿

来抵消输入电压对输出电压的影响

接下来我为大家讲一下

目前市面上比较流行的

电流模式DC-DC控制系统

它和电压模式最大区别在于

电流模式它是由一个大电压环里面

嵌套了一个小的电流环

它是将电感上面的电流反馈回来

和误差放大器输出的信号进行比对

来输出PW信号进行驱动控制

也就是说在这个系统里面

电感是属于下面这个电流环里面

也就是说对下面这一个区域来说

就是一个恒流源

从左边这个等效电路图中我们可以清楚地发现

这里的VC就是误差放大器输出经过补偿网络后

所输出的一个误差控制信号

由它去控制内部的电流环

而电流环其实是包括了电感

所以它等效成一个恒流源

由这个恒流源输出给外面的

负载和输出电容

而包括了电感的恒流源

在传递函数里面它其实是一个系数

所以没有电感的存在它其实就是一个一阶系统

而对于一阶系统

我们的补偿相对来说就简单地非常多

我们可以通过Ⅱ型

甚至是Ⅰ型的补偿网络来进行补偿

而且补偿设计也相当简单

而经常在Ⅱ型的补偿网络中

我们这个C3也可以不需要

只要通过R2和C1就可以进行补偿

由于前面所讲到的电压模式和电流模式

它们都是一种传统的线性调制方式

所以它整个系统的带宽

其实是受限于反馈端的误差放大器的带宽

所以我们经常会添加补偿网络

来改善整个系统的带宽

而提高响应速度

所以为了改善这个限制

就发明了一种新的控制方式叫迟滞模式

迟滞模式其实工作原理非常简单

它其实就是通过输出电压和分压电阻的比较

形成了一个分压信号

和下面的基准电压进行比较

这个基准电压

可以是上基准

也可以是下基准

也可以是一个窗口基准

比较后的一个高电平和一个低电平电压

直接去控制我的Q1或者Q2管

来达到电压的稳定

所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于

所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于

它这里是一个比较器

而不是一个误差放大器

而我们知道比较器的翻转速度

而我们知道比较器的翻转速度

是要远远快于误差放大器的

所以迟滞模式的最大的优点就是在于

它对系统的响应速度是非常非常快的

同时也不需要任何补偿

这个波形图很容易解释了

迟滞模式是如何工作的

这里是我一个窗口的一个基准信号

当输出电压低于窗口的下限的时候

这时候会打开Q1管关掉Q2管

让我的电感电流往上抬升

而当输出电压高于窗口的上限时

这时就会关闭Q1管打开Q2管

让我的电感电流进行下降

它就是通过这样的一个控制方式

来使输出电压控制在

所要的一个窗口的范围内

迟滞模式其实又分这三类

第一类是基本的迟滞窗口模式

它其实内部是一个窗口比较器

它又分上限和下限

当输出电压高于上限时

此时 会关闭Q1打开Q2

让电压进行下降

当电压下降超过下限时

此时会重新打开Q1而关闭Q2

让电压进行上升

它始终把输出电压稳定在一个固定的窗口之内

而第二种是固定On-time模式

它只有下限detect

也就是说

当输出电压低于下限的时候

此时我会给Q1一个固定的On-time时间

让电压进行抬升

当输出电压再次低于下限时

我会再重新给它一个固定的On-time时间

第三种是固定关断模式

也就是说

它会规定一个上限电压

当我的输出电压超过上限reference时

此时我会给它一个固定的一个关断时间

此时我会给它一个固定的一个关断时间

去关断Q1打开Q2

而当输出电压再次超过上限时

我会再次给予固定的Off-time时间

进行关断

在这个模式情况下

它只会去规定上限

所以迟滞模式又分这三种

目前 TI的DCAP和DCAP2都是使用的

中间的固定打开时间模式

这里是三种不同不同控制方式的

补偿网络比较

电压型模式它是需要typeⅢ的补偿网络

所以它所需用到的器件是最多的

其次是电流型模式的补偿

它会比电压型补偿会小很多

它会比电压型补偿会小很多

它一般只是需要两到三

然而迟滞模式

如TI的DCAP和DCAP2方式

如TI的DCAP和DCAP2方式

则是不需要补偿网络的

所以说无论是从PCB的设计

layout还是从成本上来看

DCAP和DCAP2模式都是最方便的 最经济的

我是德州仪器的模拟应用工程师 Jason Fan

我目前负责同为上海和太仓的模拟产品技术支持工作

我平时会发现客户在设计电子产品的时候

会遇到很多关于 DC-DC 产品的技术问题

所以我今天为大家讲一下

如何去设计一款 DC-DC 的产品

首先 我会讲一下

首先 我会讲一下

关于 DC-DC 的一些基础知识

其次 我们会去看一下

DC-DC 的一些小信号模型

DC-DC 的一些小信号模型

和它的环路分析

再者 我会举一些例子

如何去设计一款 DC-DC 的一些产品

如何去设计一款 DC-DC 的一些产品

几乎在目前所有的电子产品中

我们都会用到 DC-DC

来把某一路直流电压

去转换成任意我们想要的输出电压

去转换成任意我们想要的输出电压

如果 DC-DC 设计不好的话

其实对我们整个产品都有很大的影响

这是我们今天所要讲的一些例题

首先 我们会先去讲一下

DC-DC 的一些基础知识

第二个 我们会去讲一下

电流模型和 DCAP2 模型的环路分析

来帮助我们理解系统的稳定性

第三个 我们会去讲一下

第三个 我们会去讲一下

电流模型和 DCAP2 的设计的一些实例

这样可以帮助我们在实际设计应用过程中

所需要注意的某些地方

第四个 我们会去讲一下

我们平时是如何去测量一个环路的稳定性

第五个 我们会去讲一下

PCB 板的一些布板原则

最后我们会去引入一些 TI 的 DC-DC 产品

目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构

目前市面上所见的 DC-DC 拓扑结构

有以下这三种方式

第一种是Buck降压型

第二种是Boost升压型

第三种是Buck-boost升降压型

但无论哪种模式

基本上都是通过开关 电感和电容

这三个元器件所组成

首先我们先看降压型

当我的开关导通打到1档时

我的输入电源会对电感和电容进行充电

同时会给负载供电

此时我的电感由于它是磁性元件

它会产生一个左正右负的一个反向电动势

来阻止电流上升

当我的开关打到2档时

当我的开关打到2档时

这个时候我的电感同样也会产生一个

右正左负的一个反向电动势

右正左负的一个反向电动势

来遏制电流下降

此时我的电感和电容会对负载进行放电

那这样的话我就可以通关过开关

在1档和2档之间的一个导通时间

来控制最终的输出电压

从右边这张图我们可以看到

D就是我们平时所说的占空比

它其实就是ton比上整个开关周期t

M就是我的输出电压比上输入电压

所以你可以看到

当我的占空比越高的时候

我的输出电压也是越高的

最终可以达到我的输出等于我的输入

第二种是升压型

当我的开关打到1档时

我的输入电源会对我的电感进行充电

此时

我的负载全部是靠我的输出电容进行放电

当我的开关打到2档时

此时我的电感对电容进行充电

同时也对负载进行放电

同样的道理

我可以通过开关在1档和2档的导通时间

来控制我最终的输出电压

在右边也是它的关系式

当我的占空比变高的时候

我的输出电压也是在不断的上升

最终它会形成一个1除以1减D的一个关系式

第三个是 Buck-boost

这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构

这一个拓扑结构是我们常见的一个负压型的一个输出结构

当然它还有一种结构

是把 Buck 和 Boost 结合在一起的

应该有四个开关在里面

所以这一个我们就不说了

我们先看负压型

其实一样的道理

把开关打到1档

对电感进行充电

然后把开关打到2档

电感对后面的电容和负载进行放电

由于我的电感产生的反向电动势是负压的

所以最终的输出电压也是为负

所以它最终可以产生右边的一个关系式

我们可以看到当占空比越高的时候

它所负压的输出电压也就越高

但我这边要提一点

右边这些所计算出来的公式

都是基于CCM模式

也就是我们平时俗称的连续模式

也就是我们平时俗称的连续模式

如果是在DCM也就是在断续模式的时候

公式会发生变化

这是降压型DC-DC的一个基本架构

它这边是输入电源

开关MOS管 续流二极管

如果是在同步整流里面

我们可以把这个二极管用MOS管来替代

降低导通阻抗从而增加它的效率

这里是输出电感 输出电容 负载

这是反馈电容形成的增益

进入内部误差放大器

和我的参考电压进行比较

同时会输出一个误差信号

进入我的补偿网络

最终形成一个电压控制信号

脉宽调制器里面其实就是我把

脉宽调制器里面其实就是我把

这个电压信号和内部自激产生的一个三角波

进行比较 切割

从而产生一个脉宽的调制信号

通过我的驱动电路

最终驱动MOS管

所以降压型DC-DC是一个标准的

带有负反馈信号的一个控制系统

首先我们先讲一下降压型DC-DC的

第一种控制模式叫 电压型模式

电压型模式的整个控制系统的传递函数

它是由我的驱动极 调制极和补偿极

这三个传递函数的乘积所组成

其中影响最大的就是输出极

因为输出极是由一个电感和一个电容

所组成的一个二阶系统

因为我们都知道

二阶系统它是一个-40dB斜率的一个系统

它会带来一个负180度的相移

会引起系统的不稳定

我们可以从波特图中清楚地发现

在不含补偿网络的电压型控制模式中

由于输出传递函数中带电感和电容的存在

所以它其实是一个二阶系统

也就是说它会以-40dB的一个斜率进行穿越

在穿越频率时所对应的相移是-180度

此时系统引起震荡

如果要改变这一点

我们必须要在

补偿网络的传递函数上面

进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿

进行一个Type Ⅲ 型的一个补偿

Type Ⅲ 型其实就是一个通过增加两对零点

和两对极点的方式

对某一处的相位进行boost

从而把相位裕度提升上去

从波特图上我们可以发现

在添加了补偿网络以后的增益曲线

我们可以发现

它通过零极点的方式把穿越频率时候的斜率

改变成了-20dB

此时我对应的我的相位裕量

就可以形成40度到90度的相位裕度

但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂

但是由于Type Ⅲ 型设计相对来说会比较复杂

对应的计算公式也相对来说比较多

所以一般来说 电压型的控制系统

它的补偿设计相对来说会比较繁琐

另外电压型控制模式还有一些不足之处

它相对比于电流型和后面会讲的滞回型模式

它其实对于负载的动态响应

也是会比较差的

另外电压型的模式

它对于输入电压的跳变会受很大影响

所以我们经常会在输入端去添加一个前馈补偿

来抵消输入电压对输出电压的影响

接下来我为大家讲一下

目前市面上比较流行的

电流模式DC-DC控制系统

它和电压模式最大区别在于

电流模式它是由一个大电压环里面

嵌套了一个小的电流环

它是将电感上面的电流反馈回来

和误差放大器输出的信号进行比对

来输出PW信号进行驱动控制

也就是说在这个系统里面

电感是属于下面这个电流环里面

也就是说对下面这一个区域来说

就是一个恒流源

从左边这个等效电路图中我们可以清楚地发现

这里的VC就是误差放大器输出经过补偿网络后

所输出的一个误差控制信号

由它去控制内部的电流环

而电流环其实是包括了电感

所以它等效成一个恒流源

由这个恒流源输出给外面的

负载和输出电容

而包括了电感的恒流源

在传递函数里面它其实是一个系数

所以没有电感的存在它其实就是一个一阶系统

而对于一阶系统

我们的补偿相对来说就简单地非常多

我们可以通过Ⅱ型

甚至是Ⅰ型的补偿网络来进行补偿

而且补偿设计也相当简单

而经常在Ⅱ型的补偿网络中

我们这个C3也可以不需要

只要通过R2和C1就可以进行补偿

由于前面所讲到的电压模式和电流模式

它们都是一种传统的线性调制方式

所以它整个系统的带宽

其实是受限于反馈端的误差放大器的带宽

所以我们经常会添加补偿网络

来改善整个系统的带宽

而提高响应速度

所以为了改善这个限制

就发明了一种新的控制方式叫迟滞模式

迟滞模式其实工作原理非常简单

它其实就是通过输出电压和分压电阻的比较

形成了一个分压信号

和下面的基准电压进行比较

这个基准电压

可以是上基准

也可以是下基准

也可以是一个窗口基准

比较后的一个高电平和一个低电平电压

直接去控制我的Q1或者Q2管

来达到电压的稳定

所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于

所以它和前面两种所讲的最大的区别就在于

它这里是一个比较器

而不是一个误差放大器

而我们知道比较器的翻转速度

而我们知道比较器的翻转速度

是要远远快于误差放大器的

所以迟滞模式的最大的优点就是在于

它对系统的响应速度是非常非常快的

同时也不需要任何补偿

这个波形图很容易解释了

迟滞模式是如何工作的

这里是我一个窗口的一个基准信号

当输出电压低于窗口的下限的时候

这时候会打开Q1管关掉Q2管

让我的电感电流往上抬升

而当输出电压高于窗口的上限时

这时就会关闭Q1管打开Q2管

让我的电感电流进行下降

它就是通过这样的一个控制方式

来使输出电压控制在

所要的一个窗口的范围内

迟滞模式其实又分这三类

第一类是基本的迟滞窗口模式

它其实内部是一个窗口比较器

它又分上限和下限

当输出电压高于上限时

此时 会关闭Q1打开Q2

让电压进行下降

当电压下降超过下限时

此时会重新打开Q1而关闭Q2

让电压进行上升

它始终把输出电压稳定在一个固定的窗口之内

而第二种是固定On-time模式

它只有下限detect

也就是说

当输出电压低于下限的时候

此时我会给Q1一个固定的On-time时间

让电压进行抬升

当输出电压再次低于下限时

我会再重新给它一个固定的On-time时间

第三种是固定关断模式

也就是说

它会规定一个上限电压

当我的输出电压超过上限reference时

此时我会给它一个固定的一个关断时间

此时我会给它一个固定的一个关断时间

去关断Q1打开Q2

而当输出电压再次超过上限时

我会再次给予固定的Off-time时间

进行关断

在这个模式情况下

它只会去规定上限

所以迟滞模式又分这三种

目前 TI的DCAP和DCAP2都是使用的

中间的固定打开时间模式

这里是三种不同不同控制方式的

补偿网络比较

电压型模式它是需要typeⅢ的补偿网络

所以它所需用到的器件是最多的

其次是电流型模式的补偿

它会比电压型补偿会小很多

它会比电压型补偿会小很多

它一般只是需要两到三

然而迟滞模式

如TI的DCAP和DCAP2方式

如TI的DCAP和DCAP2方式

则是不需要补偿网络的

所以说无论是从PCB的设计

layout还是从成本上来看

DCAP和DCAP2模式都是最方便的 最经济的