1.6串联电容降压变换器的设计要点

接下来这一节

我们会重点介绍一下

我们设计一个串联电容 Buck 电路

所需要的一些注意的要点

那么我们前面也提到

串联电容 Buck 电路

它有一个很大的特点

就是能够把我们的

系统的开关频率给

提升到一个比较高的水平

那么就随着

我们这个开关频率的提升的话

那么有几个明显的效果

那第一个就是能够

降低我们整个变换器的尺寸

比如说下面这个公式所描述的

当我们的频率提升之后

就意味着我们的系统

所需要的一个电感量

也会下降很大

那么这个时候我们就可以

选取一个尺寸更小的电感

那么第二个就是

我们开关频率提升了之后

我们的在电感中

它流过电感的一个纹波电流

那么也会有一个比较大幅的减少

但是同样也会有一个缺点

就是开关频率提升

同样的也是意味着一个更大的开关损耗

因为我们的开关损耗

是跟我们开关频率成正比的

那么我们这里实际上做了一个对比

就是说在同样的一个输出输入条件下

我们做了一个

在不同开关频率的情况下的效率对比

这条深灰线

这条线是一个 2MHz 是开关频率

那么我们可以看到

它的整个开关效率

就是在一个半载的时候

能够超过 86% 左右

然后满载的时候呢

有 83%、84% 的效率点

那么如果说我们这个时候

把开关频率提升到 3.5MHz

那么就这个时候可以明显地看到

它在整个负载电流段

它的效率都是会

比我们的 2MHz 的频率会要小的

如果说我们这个时候

把开关频率提升到 5MHz 更高

那么 5MHz 的时候

就是我们的开关频率

是之前 2MHz 的一个 2.5 倍

可以看到在 5MHz 的开关频率下

我们整个系统的一个效率

就相对于 2MHz 的时候

有至少两到三个点的一个效率损失

所以说我们在这个时候

再做一个设计选择的时候

必须要考虑到频率提升

那同样也就意味着一个效率的损失

我们要尽量地选择满足整个系统要求的时候

开关频率能够做到尽可能地降低

那么对于电感对这个效率的影响

我们也做了一个分析

一般的理论上认为

我们一个更高的电感的改变值

就容易增加

我们的整个系统有一个峰值的效率

那么因为一个更大的电感的感量

那么就意味着

我们在电感中的一个纹波电流峰峰值更小

那么就意味着一个更小的磁芯损耗

那么同样的流过电感的一个峰-峰值变小

那么就意味着留给我们整个电源系统的

一个电流的有效值也是变小了

第二个有一个常用观点

就是说更小的一个电感量

就在满载的时候效率更高

因为越小的电感量

那么就意味着我们的

电感的一个 DCR 会越小

那么这个时候因为在满载的时候

往往是由我们的一个导通损耗占主导

所以说越小的一个导通损耗

那么就意味着一个越高的效率

从右边这个图上我们可以看到

这个是我们从一个相同的变换器里面

选用不同的电感值来做出一个比较

那么分别有三个值

包括是 250nH、330nH 跟 470nH

我们可以看到就是

当一个感量越小的时候

那么就意味着它的

在满载的时候效率会越高

那么我们可以看到在满载的时候

效率最高的分别是 250nH

那么接下来是 330nH

再接下来是 470nH

也就是说在这个时候

我们更加重要的是

它的一个导通损耗的值

那么在半载的时候

也就是在 peak 的时候

我们的整个的一个效率曲线

反而是电感量越大的时候

那么效率会越高

那么这就印证了越小的感量

代表了一个越高的峰值效率

第三点也就是最重要一点

就是我们这个串联电容的一个选择

串联电容是我们整个新的拓扑的一个核心

所以说选择这个串联电容是非常重要的

那么我们从前面的分析已经可以知道

就是我们这个串联电容

它实际上是通过我们的 a、b 两相电感

来进行一个充放电的

那么在充放电的时候

会在我们的这个串联电容上

会产生一个相应的纹波电压

就是一个 △v

那么我们在选择这个电容值的时候

就保证在我们这个串联电容上

它的一个纹波的电压值

是小于整体电压的 8%

那么我们可以从这里看到一个例子

就是一个 10A 的负载

2MHz 的开关频率

12V 输入、1.2V 输出的时候

我们可以根据

在这个串联电容的一个纹波电压值

它的一个在开关周期之内

它的充放电的一个电量

那么所造成的

一个电压的波动这个关系

来计算出我们实际上所需要的

一个实际的电容值

那么算出来在这个

设计时里面这个电子就是 1μF

但是我们这里需要提醒一点就是

我们这个串联电容

它实际上在我们整个系统启动的初期的话

需要由我们的芯片来做一个预充

也就是说它需要能够有我们的芯片

在整个电路没有工作的时候

把我们这个电容值

先预充到一半输入电压的这个时间

所以说如果说我们设计一个更大的电容值

那么就意味着我们这个预充的时间会更久

那么我们这里可以看到

这是我们预充的一个波形图

一个 10A 的充电流

那么要给一个 1μF 的电容充电

一般就意味着一个 625μs 的充电时间

也就是说我们的在启动的时候

会有一个 625μs 的启动延时

关于输入跟输出电容的选择

那么这个其实跟我们常见的

一个 Buck 电容的选择是一致的

输入输出电容的选择

基本上都是遵循

输入输出电路上一个纹波电压的选择

对于输入电容的选择

我们就要分析它在稳态时候的

一个电压的纹波的峰峰值

那么它对整个环路带宽的一个影响

第三个关于输入电容的影响

需要考虑的就是一个负载电流的跳变的过程

因为我们在做负载电流跳变的时候

我们输入电容往往会储存或者吸收

动态跳变的负载电流变化的过程当中

多余的能量

所以说我们在这个时候

做动态跳变的时候

它的一个技术的指标

对我们整个的输出电压的影响

也需要做一个考虑

那么我们这里有个例子就是

如果是一个 0 到 10A 的跳变

我们电感是一个 220nH 的感值

输出电压是 1.2V

那么我们所允许的

一个输出电压的纹波值是 36mV

在这个时候根据这个

我们在做动态的时候

所需要的一个整体的能量

再跟我们这个整体的

储存在我们输出电容上一个能量

再做一个对比的话

我们可以算出来

我们输出的需要的一个电容值

实际上是一个 127μF 的容值

那么对于输入电容来说

根据输入电容在整个开关周期之内的

一个纹波电压的值

来确定我们输入电容的一个容值

那么通常我们一般会设定

我们所允许的

一个输入电路上的纹波电压

是它直流值的一个 1%

对于输出网络的一个选择

那么输出网络

就是说它是能够起到把输出电压衰减到

我们芯片所能接受的一个电压范围之内

一般的话比如说输出电压是一个 1.2V

那么我们芯片所能接受

一个正常电压是 0.6V

那么我们这个时候就需要做

一个 2:1 的衰减

那么对于输出网络

它一般有不同的一个电路结构

最简单的一种就是第一种

就是我们的纯粹一个纯电阻的网络

那么我们这个时候

我们这种电路结构是很简单

那么它也仅仅是起到一个正比例的

一个缩放的功能

第二种反馈网络结构相对第一种

就是在我们的分压网络的电阻上的

上电阻并一个电容

并了这个电容之后

能够引入一个零点

使我们的环路在我们想要的一个频段内

得到一个相位的提升

第三个网络相对于第二种网络会更复杂一些

它是通过在我们的电阻分压网络的上电阻

并一个 RC 网络来形成一个零极点的组合

那么这种组合之后

就是能够在我们电路的

环路中引入一个零极点

通过调整 C1 跟 R3 的值

我们就可以配置这个相应的零极点

在不同的一个位置

那么我们在做一个环路补偿的时候

就可以得到一个我们想要的结果

那么第四种相对于第三种

就是在反馈网络这一块并没有太大变化

那么它主要的这样一个点

就是说它在我们的

电阻分压网络的中间节点

跟我们的芯片反馈脚之间

串了一个电阻

那么串了这个电阻之后

主要的一个作用就是

能够跟我们的芯片的 pin 脚上的

一个寄生电容

形成一个 RC 网络

把一些高频纹波电流给滤掉

那么我们通过这四种不同的电网络

就可以得到四种不同的补偿效果

那么我们下面有个例子就是

在一个 12V 输入、1.2V 输出的

电路系统里面

如果我们纯粹用第一种

纯电阻网络的一个结构形式的话

我们可以得到一个

截止频率是 188kHz

然后相位是 37°左右的

如果说我们这个时候用了

第二种的一个补偿网络

那么我们可以把截止频率提升到 196kHz

相位在截止频率点

得到一个比较大的提升

可以提升到 48.8°

第二种网络可以比第一种网络

一个比较明显好处就是

它能够把相位给提升了

接下来这一节

我们会重点介绍一下

我们设计一个串联电容 Buck 电路

所需要的一些注意的要点

那么我们前面也提到

串联电容 Buck 电路

它有一个很大的特点

就是能够把我们的

系统的开关频率给

提升到一个比较高的水平

那么就随着

我们这个开关频率的提升的话

那么有几个明显的效果

那第一个就是能够

降低我们整个变换器的尺寸

比如说下面这个公式所描述的

当我们的频率提升之后

就意味着我们的系统

所需要的一个电感量

也会下降很大

那么这个时候我们就可以

选取一个尺寸更小的电感

那么第二个就是

我们开关频率提升了之后

我们的在电感中

它流过电感的一个纹波电流

那么也会有一个比较大幅的减少

但是同样也会有一个缺点

就是开关频率提升

同样的也是意味着一个更大的开关损耗

因为我们的开关损耗

是跟我们开关频率成正比的

那么我们这里实际上做了一个对比

就是说在同样的一个输出输入条件下

我们做了一个

在不同开关频率的情况下的效率对比

这条深灰线

这条线是一个 2MHz 是开关频率

那么我们可以看到

它的整个开关效率

就是在一个半载的时候

能够超过 86% 左右

然后满载的时候呢

有 83%、84% 的效率点

那么如果说我们这个时候

把开关频率提升到 3.5MHz

那么就这个时候可以明显地看到

它在整个负载电流段

它的效率都是会

比我们的 2MHz 的频率会要小的

如果说我们这个时候

把开关频率提升到 5MHz 更高

那么 5MHz 的时候

就是我们的开关频率

是之前 2MHz 的一个 2.5 倍

可以看到在 5MHz 的开关频率下

我们整个系统的一个效率

就相对于 2MHz 的时候

有至少两到三个点的一个效率损失

所以说我们在这个时候

再做一个设计选择的时候

必须要考虑到频率提升

那同样也就意味着一个效率的损失

我们要尽量地选择满足整个系统要求的时候

开关频率能够做到尽可能地降低

那么对于电感对这个效率的影响

我们也做了一个分析

一般的理论上认为

我们一个更高的电感的改变值

就容易增加

我们的整个系统有一个峰值的效率

那么因为一个更大的电感的感量

那么就意味着

我们在电感中的一个纹波电流峰峰值更小

那么就意味着一个更小的磁芯损耗

那么同样的流过电感的一个峰-峰值变小

那么就意味着留给我们整个电源系统的

一个电流的有效值也是变小了

第二个有一个常用观点

就是说更小的一个电感量

就在满载的时候效率更高

因为越小的电感量

那么就意味着我们的

电感的一个 DCR 会越小

那么这个时候因为在满载的时候

往往是由我们的一个导通损耗占主导

所以说越小的一个导通损耗

那么就意味着一个越高的效率

从右边这个图上我们可以看到

这个是我们从一个相同的变换器里面

选用不同的电感值来做出一个比较

那么分别有三个值

包括是 250nH、330nH 跟 470nH

我们可以看到就是

当一个感量越小的时候

那么就意味着它的

在满载的时候效率会越高

那么我们可以看到在满载的时候

效率最高的分别是 250nH

那么接下来是 330nH

再接下来是 470nH

也就是说在这个时候

我们更加重要的是

它的一个导通损耗的值

那么在半载的时候

也就是在 peak 的时候

我们的整个的一个效率曲线

反而是电感量越大的时候

那么效率会越高

那么这就印证了越小的感量

代表了一个越高的峰值效率

第三点也就是最重要一点

就是我们这个串联电容的一个选择

串联电容是我们整个新的拓扑的一个核心

所以说选择这个串联电容是非常重要的

那么我们从前面的分析已经可以知道

就是我们这个串联电容

它实际上是通过我们的 a、b 两相电感

来进行一个充放电的

那么在充放电的时候

会在我们的这个串联电容上

会产生一个相应的纹波电压

就是一个 △v

那么我们在选择这个电容值的时候

就保证在我们这个串联电容上

它的一个纹波的电压值

是小于整体电压的 8%

那么我们可以从这里看到一个例子

就是一个 10A 的负载

2MHz 的开关频率

12V 输入、1.2V 输出的时候

我们可以根据

在这个串联电容的一个纹波电压值

它的一个在开关周期之内

它的充放电的一个电量

那么所造成的

一个电压的波动这个关系

来计算出我们实际上所需要的

一个实际的电容值

那么算出来在这个

设计时里面这个电子就是 1μF

但是我们这里需要提醒一点就是

我们这个串联电容

它实际上在我们整个系统启动的初期的话

需要由我们的芯片来做一个预充

也就是说它需要能够有我们的芯片

在整个电路没有工作的时候

把我们这个电容值

先预充到一半输入电压的这个时间

所以说如果说我们设计一个更大的电容值

那么就意味着我们这个预充的时间会更久

那么我们这里可以看到

这是我们预充的一个波形图

一个 10A 的充电流

那么要给一个 1μF 的电容充电

一般就意味着一个 625μs 的充电时间

也就是说我们的在启动的时候

会有一个 625μs 的启动延时

关于输入跟输出电容的选择

那么这个其实跟我们常见的

一个 Buck 电容的选择是一致的

输入输出电容的选择

基本上都是遵循

输入输出电路上一个纹波电压的选择

对于输入电容的选择

我们就要分析它在稳态时候的

一个电压的纹波的峰峰值

那么它对整个环路带宽的一个影响

第三个关于输入电容的影响

需要考虑的就是一个负载电流的跳变的过程

因为我们在做负载电流跳变的时候

我们输入电容往往会储存或者吸收

动态跳变的负载电流变化的过程当中

多余的能量

所以说我们在这个时候

做动态跳变的时候

它的一个技术的指标

对我们整个的输出电压的影响

也需要做一个考虑

那么我们这里有个例子就是

如果是一个 0 到 10A 的跳变

我们电感是一个 220nH 的感值

输出电压是 1.2V

那么我们所允许的

一个输出电压的纹波值是 36mV

在这个时候根据这个

我们在做动态的时候

所需要的一个整体的能量

再跟我们这个整体的

储存在我们输出电容上一个能量

再做一个对比的话

我们可以算出来

我们输出的需要的一个电容值

实际上是一个 127μF 的容值

那么对于输入电容来说

根据输入电容在整个开关周期之内的

一个纹波电压的值

来确定我们输入电容的一个容值

那么通常我们一般会设定

我们所允许的

一个输入电路上的纹波电压

是它直流值的一个 1%

对于输出网络的一个选择

那么输出网络

就是说它是能够起到把输出电压衰减到

我们芯片所能接受的一个电压范围之内

一般的话比如说输出电压是一个 1.2V

那么我们芯片所能接受

一个正常电压是 0.6V

那么我们这个时候就需要做

一个 2:1 的衰减

那么对于输出网络

它一般有不同的一个电路结构

最简单的一种就是第一种

就是我们的纯粹一个纯电阻的网络

那么我们这个时候

我们这种电路结构是很简单

那么它也仅仅是起到一个正比例的

一个缩放的功能

第二种反馈网络结构相对第一种

就是在我们的分压网络的电阻上的

上电阻并一个电容

并了这个电容之后

能够引入一个零点

使我们的环路在我们想要的一个频段内

得到一个相位的提升

第三个网络相对于第二种网络会更复杂一些

它是通过在我们的电阻分压网络的上电阻

并一个 RC 网络来形成一个零极点的组合

那么这种组合之后

就是能够在我们电路的

环路中引入一个零极点

通过调整 C1 跟 R3 的值

我们就可以配置这个相应的零极点

在不同的一个位置

那么我们在做一个环路补偿的时候

就可以得到一个我们想要的结果

那么第四种相对于第三种

就是在反馈网络这一块并没有太大变化

那么它主要的这样一个点

就是说它在我们的

电阻分压网络的中间节点

跟我们的芯片反馈脚之间

串了一个电阻

那么串了这个电阻之后

主要的一个作用就是

能够跟我们的芯片的 pin 脚上的

一个寄生电容

形成一个 RC 网络

把一些高频纹波电流给滤掉

那么我们通过这四种不同的电网络

就可以得到四种不同的补偿效果

那么我们下面有个例子就是

在一个 12V 输入、1.2V 输出的

电路系统里面

如果我们纯粹用第一种

纯电阻网络的一个结构形式的话

我们可以得到一个

截止频率是 188kHz

然后相位是 37°左右的

如果说我们这个时候用了

第二种的一个补偿网络

那么我们可以把截止频率提升到 196kHz

相位在截止频率点

得到一个比较大的提升

可以提升到 48.8°

第二种网络可以比第一种网络

一个比较明显好处就是

它能够把相位给提升了