5.1 直流直流转换器常见错误及解决方案1 - 输出波动和芯片过热

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

今天呢很高兴有机会在这里

和大家一起分享一下

我们在常见 DC-DC 里面

会遇到的各种各样的问题

以及我们怎么样来规范它们

我们今天呢大概分成三个部分

第一个呢会先讲一个

DC-DC 我们的一些基本的一些工作原理

然后呢会列举出

我们常见各种大约十个错误

以及我们怎么样来解决它

最后呢我们会做一个总结

首先我们来看我们在 DC-DC 里面

常用的一个拓扑

那么最常见的一个拓扑呢

就是 BUCK 电路

BUCK 电路呢又名一个降压变换器

那么它的一个主要作用是

能够把一个比较高的一个输入电压

变化成一个比较低的一个输入电压

那么这种就比较适用于

比如说是有一个 5V

或者 12V 的一个母线电压

然后呢我们可以

通过加一个 BUCK 变换器

把它降成 1V 1.8V 3.3V

来给我们的各种负载来供电

那么对于 BUCK 变换器

它的一个基本的一个工作模态

我们相信大家都是比较熟悉的

那我们这里简单就过一下

那么它主要是有一个上管和下管组成

当上管开通的时候呢是由输入

然后经过上管

然后对电感和电容进行充电

然后这个时候呢

是处于一个 Switch on 的一个状态

那么当我们上管关断之后

那么下管呢

对应的就会有一个互补的开通

那么这个时候呢电感电流

会通过我们的输出电容

以及我们的同步整流管

来形成一个续流回路

那么这个时候呢就是我们

电感电流往下降的一个过程

这个就是我们 BUCK 的基本工作原理

我们就不花太多时间来讲

那么我们今天所遇到的各种问题呢

最主要的都是基于我们 BUCK 电路

来做一个分析的

那我们来看今天的第一个问题

我们今天第一个问题呢

一个例子呢就是说这是一个 1.2 伏输出

0A 负载

那么开关频率是一个 1.2 兆赫兹的

一个 BUCK 变换器

那么它也是被配置在强制的 CCM 模式

也就是上下管都是互补开通的

那么当它是 11 伏输入的时候

我们可以看到左边第一个图

我们的输出电压以及我们的开关节点

都是非常稳定的一个电压波形

但是如果这个时候逐渐增加输入电压

比如说是 11V 增加到 11.7V

我们看中间这个图

我们很明显看到就是说

在输入电压

这里会有一个明显的跌落与波动

然后这个时候再来看开关节点电压

那么很明显

在这个跌落和波动的过程当中呢

也发现我们的开关呢是有不正常的现象

如果这个时候我们把输入电压继续抬升

比如说是抬到了 12V 的一个输入电压

那么很明显这个跌落波动就变的幅度更大

而且开始似乎变得是有一个规律了

做为一个电源工程师

那么看到这种现象

首先第一反应可能就是说

会不会是这个环路不稳

会不会是这个环路不稳

那么导致我们整个系统呢

出现一个振荡的一个过程

那么我们这个时候呢

可能会去看一个环路设置

或者是说去扫环路的一个响应

那么有时候呢可能扫出来

也反正也是没问题的

但是呢那这个时候呢

却依然没有找到我们根本原因

那么在我们这个例子里面

其实就是因为我们的上管的

最小的一个 On-time 时间设置

会超过了器件的本身的限制

我们可以从整个电路的

运行状态来分析一下

比如说在当我们输入电压是 12 伏的时候

输出电压是 1.2 伏

然后开关频率是 1.2 兆

那么这个时候呢

其实对应于我们上管的导通时间 Ton

那么实际上就等于 Vout/Vin

然后呢再除以开关频率

代入我们上述这些参数的话

我们可以算出来

Ton 的时间实际上是等于 23ns

那么我们去看芯片的一个数据手册

就会看到它的一个最小 On-time 时间

它实际上是列了一个值

比如说典型是 90ns

那么最大是 130ns

而且我们同样的话

可以从它的下面的一个

特性的一个表里面可以看到

这一个参数

它实际上是会随着温度在发生变化的

那么随着芯片工作温度的上升

实际上这个 minimum on-time 时间

实际上这个 minimum on-time 时间

它会逐渐增加

这样就可能会出现一个现象就是

芯片会对于小于这个

minimum on-time 时间的

duty cycle 一个 pulse

可能就是无法实现输出

那么就有可能会出现

我们前面看到的一个丢波的一个现象

实际上这个时候

我们的反馈环依然是有输出

但是我们反馈环实际上是要求输出一个

但是我们反馈环实际上是要求输出一个

很小的一个 on-time 时间

可能是 50 或者 60 纳秒的时间

但是我们的芯片它无法输出这个值

那么就我们在开关节点上

就只能看到一个丢波的一个现象

所以说我们要选择一个正确的开关频率

来基于我们的一个设计来说

我们首先要考虑到就是说

芯片所能允许的

最大的最小导通时间是多少

这个时候我们就要看芯片的数据手册

那么同样的话

我们可以根据我们的

输入电压范围来计算

我们的所以允许的一个开关频率

按照我们的开关频率呢

会必须要小于等于 Vout/Vin最大电压

然后呢再除以最大的导通时间的值

然后来算出所允许的最大开关频率

那么如果我们设计没有遵循这个原则

那么导致输出的 On-time 时间

可能会小于我们的最小导通时间

那么会出现什么情况呢

就可能就会出现 Pulse skipping 的现象

比如说丢波的一些现象

或者是呢开关频率发生变化

因为有的芯片

比如说无法输出这个脉宽的一个占空比

那么我会尝试着把我们的开关频率降低

那么这样子的话

在更低的频率下

那就能够输出同样的一个占空比出来

那么第三个现象呢

就可能会输出变得不稳定

就像我们刚刚前面那个波形里面看到的

输出会出现一个比较大幅的一个振荡

第二个问题

我们要讨论的是一个关于热的一个问题

我们首先先看这有两张图

两个图呢我们都是

一个 12V 输入 1.8V 输出

然后负载电流是 8A

开关频率 700kHz 一个 PLL 电路

那么左边这个图呢我们可以看到

从这个热成像的图上

最高的温度呢大概是一个 59.6 度

然后最热的话是那个芯片

右边这个图呢

我们可以看到它最高温度是 82.4 度

然后最热的也是我们的这个芯片

所以从这两个图里面做出一个对比

在同样的输入输出以及负载条件下

开关频率也一样

从芯片规格来看

两颗芯片它都是 8A 的 BUCK 变换器

那么为什么两个芯片

温差在同样的测试条件下

会相差20度以上呢

那么我们这个时候呢就打开

part A 跟 part B 这两颗芯片的

一些电气参数的一个对比

首先呢看输入电压范围

两颗芯片呢它都是有 4.5 伏到 17 伏的

一个电压范围

这是相同的

那么同样的电流

额定电流呢 A B 都是 8A

尺寸呢都是一样的

第四个参数

RDS(ON) 这个就差距比较明显

那么对 part A 来说

它的上管呢是 14 毫欧

下管是 6 毫欧

那么对于 part B 来说

它上管 26 毫欧

下管 19 毫欧

那么这个很明显差距非常大

所以说我们从这个 RDS(ON) 这个参数来看

明显 part B

它流过相同电流的时候

它的导通损耗要远远大于 part A

也就是为什么我们在同样输入输出条件下

那么 part B 呢会比 part A 热很多的原因

但是呢 part B 呢它实际上也是

标称为一个 8A 的 BUCK 变换器

那么其实 part B 呢

它更多是用于一些比如说

8A 电流可能不需要长时间流过的一个情况

或者说呢终端应用呢

它不会把 part B 放在一个

很高的环境温度的一个应用条件下

那么这个时候

我们在选择芯片的时候

可能在我们大家

在选择一些芯片看参数的时候

可能无法形成一个比较直观的一个印象

那么这个时候呢

我们是建议用我们 TI 的

WEBENCH 上面的一个工具叫 WEBTHERM

然后用这个 WEBTHERM

我们输入输入输出的一个电压电流参数

然后来基于我们的评估板

来对我们 part A B 来做一个

热的成像的一个分析

首先呢如果说我们通过这个工具来看

流过同样 8A 的电流

那么 part A 呢

热仿真的一个温度呢

会达到一个 64 度

那么 part B 来说

它可能会达到一个 81 度

用这个工具来说

我们就可以明显看到 A B 两个 part

如果是流过同样电流的情况下

那么有可能会达到一个最大温度

那么大家再做一个选择的时候

就可以根据自己最终应用

那么有可能会出现哪种情况

比如说如果是会长时间工作在

一个很高的一个环境温度的情况下

那么我们就可能要选择 part A

那么如果说不会长时间工作于

一个很高的一个环境温度的情况下

而且对成本也比较敏感的一个设计

那么我们这个时候就可以考虑

part B 可以作为一个选项

大家好

我是德州仪器的系统应用工程师

今天呢很高兴有机会在这里

和大家一起分享一下

我们在常见 DC-DC 里面

会遇到的各种各样的问题

以及我们怎么样来规范它们

我们今天呢大概分成三个部分

第一个呢会先讲一个

DC-DC 我们的一些基本的一些工作原理

然后呢会列举出

我们常见各种大约十个错误

以及我们怎么样来解决它

最后呢我们会做一个总结

首先我们来看我们在 DC-DC 里面

常用的一个拓扑

那么最常见的一个拓扑呢

就是 BUCK 电路

BUCK 电路呢又名一个降压变换器

那么它的一个主要作用是

能够把一个比较高的一个输入电压

变化成一个比较低的一个输入电压

那么这种就比较适用于

比如说是有一个 5V

或者 12V 的一个母线电压

然后呢我们可以

通过加一个 BUCK 变换器

把它降成 1V 1.8V 3.3V

来给我们的各种负载来供电

那么对于 BUCK 变换器

它的一个基本的一个工作模态

我们相信大家都是比较熟悉的

那我们这里简单就过一下

那么它主要是有一个上管和下管组成

当上管开通的时候呢是由输入

然后经过上管

然后对电感和电容进行充电

然后这个时候呢

是处于一个 Switch on 的一个状态

那么当我们上管关断之后

那么下管呢

对应的就会有一个互补的开通

那么这个时候呢电感电流

会通过我们的输出电容

以及我们的同步整流管

来形成一个续流回路

那么这个时候呢就是我们

电感电流往下降的一个过程

这个就是我们 BUCK 的基本工作原理

我们就不花太多时间来讲

那么我们今天所遇到的各种问题呢

最主要的都是基于我们 BUCK 电路

来做一个分析的

那我们来看今天的第一个问题

我们今天第一个问题呢

一个例子呢就是说这是一个 1.2 伏输出

0A 负载

那么开关频率是一个 1.2 兆赫兹的

一个 BUCK 变换器

那么它也是被配置在强制的 CCM 模式

也就是上下管都是互补开通的

那么当它是 11 伏输入的时候

我们可以看到左边第一个图

我们的输出电压以及我们的开关节点

都是非常稳定的一个电压波形

但是如果这个时候逐渐增加输入电压

比如说是 11V 增加到 11.7V

我们看中间这个图

我们很明显看到就是说

在输入电压

这里会有一个明显的跌落与波动

然后这个时候再来看开关节点电压

那么很明显

在这个跌落和波动的过程当中呢

也发现我们的开关呢是有不正常的现象

如果这个时候我们把输入电压继续抬升

比如说是抬到了 12V 的一个输入电压

那么很明显这个跌落波动就变的幅度更大

而且开始似乎变得是有一个规律了

做为一个电源工程师

那么看到这种现象

首先第一反应可能就是说

会不会是这个环路不稳

会不会是这个环路不稳

那么导致我们整个系统呢

出现一个振荡的一个过程

那么我们这个时候呢

可能会去看一个环路设置

或者是说去扫环路的一个响应

那么有时候呢可能扫出来

也反正也是没问题的

但是呢那这个时候呢

却依然没有找到我们根本原因

那么在我们这个例子里面

其实就是因为我们的上管的

最小的一个 On-time 时间设置

会超过了器件的本身的限制

我们可以从整个电路的

运行状态来分析一下

比如说在当我们输入电压是 12 伏的时候

输出电压是 1.2 伏

然后开关频率是 1.2 兆

那么这个时候呢

其实对应于我们上管的导通时间 Ton

那么实际上就等于 Vout/Vin

然后呢再除以开关频率

代入我们上述这些参数的话

我们可以算出来

Ton 的时间实际上是等于 23ns

那么我们去看芯片的一个数据手册

就会看到它的一个最小 On-time 时间

它实际上是列了一个值

比如说典型是 90ns

那么最大是 130ns

而且我们同样的话

可以从它的下面的一个

特性的一个表里面可以看到

这一个参数

它实际上是会随着温度在发生变化的

那么随着芯片工作温度的上升

实际上这个 minimum on-time 时间

实际上这个 minimum on-time 时间

它会逐渐增加

这样就可能会出现一个现象就是

芯片会对于小于这个

minimum on-time 时间的

duty cycle 一个 pulse

可能就是无法实现输出

那么就有可能会出现

我们前面看到的一个丢波的一个现象

实际上这个时候

我们的反馈环依然是有输出

但是我们反馈环实际上是要求输出一个

但是我们反馈环实际上是要求输出一个

很小的一个 on-time 时间

可能是 50 或者 60 纳秒的时间

但是我们的芯片它无法输出这个值

那么就我们在开关节点上

就只能看到一个丢波的一个现象

所以说我们要选择一个正确的开关频率

来基于我们的一个设计来说

我们首先要考虑到就是说

芯片所能允许的

最大的最小导通时间是多少

这个时候我们就要看芯片的数据手册

那么同样的话

我们可以根据我们的

输入电压范围来计算

我们的所以允许的一个开关频率

按照我们的开关频率呢

会必须要小于等于 Vout/Vin最大电压

然后呢再除以最大的导通时间的值

然后来算出所允许的最大开关频率

那么如果我们设计没有遵循这个原则

那么导致输出的 On-time 时间

可能会小于我们的最小导通时间

那么会出现什么情况呢

就可能就会出现 Pulse skipping 的现象

比如说丢波的一些现象

或者是呢开关频率发生变化

因为有的芯片

比如说无法输出这个脉宽的一个占空比

那么我会尝试着把我们的开关频率降低

那么这样子的话

在更低的频率下

那就能够输出同样的一个占空比出来

那么第三个现象呢

就可能会输出变得不稳定

就像我们刚刚前面那个波形里面看到的

输出会出现一个比较大幅的一个振荡

第二个问题

我们要讨论的是一个关于热的一个问题

我们首先先看这有两张图

两个图呢我们都是

一个 12V 输入 1.8V 输出

然后负载电流是 8A

开关频率 700kHz 一个 PLL 电路

那么左边这个图呢我们可以看到

从这个热成像的图上

最高的温度呢大概是一个 59.6 度

然后最热的话是那个芯片

右边这个图呢

我们可以看到它最高温度是 82.4 度

然后最热的也是我们的这个芯片

所以从这两个图里面做出一个对比

在同样的输入输出以及负载条件下

开关频率也一样

从芯片规格来看

两颗芯片它都是 8A 的 BUCK 变换器

那么为什么两个芯片

温差在同样的测试条件下

会相差20度以上呢

那么我们这个时候呢就打开

part A 跟 part B 这两颗芯片的

一些电气参数的一个对比

首先呢看输入电压范围

两颗芯片呢它都是有 4.5 伏到 17 伏的

一个电压范围

这是相同的

那么同样的电流

额定电流呢 A B 都是 8A

尺寸呢都是一样的

第四个参数

RDS(ON) 这个就差距比较明显

那么对 part A 来说

它的上管呢是 14 毫欧

下管是 6 毫欧

那么对于 part B 来说

它上管 26 毫欧

下管 19 毫欧

那么这个很明显差距非常大

所以说我们从这个 RDS(ON) 这个参数来看

明显 part B

它流过相同电流的时候

它的导通损耗要远远大于 part A

也就是为什么我们在同样输入输出条件下

那么 part B 呢会比 part A 热很多的原因

但是呢 part B 呢它实际上也是

标称为一个 8A 的 BUCK 变换器

那么其实 part B 呢

它更多是用于一些比如说

8A 电流可能不需要长时间流过的一个情况

或者说呢终端应用呢

它不会把 part B 放在一个

很高的环境温度的一个应用条件下

那么这个时候

我们在选择芯片的时候

可能在我们大家

在选择一些芯片看参数的时候

可能无法形成一个比较直观的一个印象

那么这个时候呢

我们是建议用我们 TI 的

WEBENCH 上面的一个工具叫 WEBTHERM

然后用这个 WEBTHERM

我们输入输入输出的一个电压电流参数

然后来基于我们的评估板

来对我们 part A B 来做一个

热的成像的一个分析

首先呢如果说我们通过这个工具来看

流过同样 8A 的电流

那么 part A 呢

热仿真的一个温度呢

会达到一个 64 度

那么 part B 来说

它可能会达到一个 81 度

用这个工具来说

我们就可以明显看到 A B 两个 part

如果是流过同样电流的情况下

那么有可能会达到一个最大温度

那么大家再做一个选择的时候

就可以根据自己最终应用

那么有可能会出现哪种情况

比如说如果是会长时间工作在

一个很高的一个环境温度的情况下

那么我们就可能要选择 part A

那么如果说不会长时间工作于

一个很高的一个环境温度的情况下

而且对成本也比较敏感的一个设计

那么我们这个时候就可以考虑

part B 可以作为一个选项