定频降压型变换器的控制策略（上）

大家好

我是TI电压参考设计团队的

应用工程师 Jason Yu

这个 topic 给大家介绍一下

TI 定频 DC buck 控制器的

控制策略，特点和分析

DC buck 的应用范围非常广

对应不同的客户要求

不同的产品应用

那么 TI 有非常多的 buck 产品

主要分为两大类

第一类是定频的控制方式

第二类是变频的控制方式

那么这一部分我们首先介绍一下

DCDC buck 的基本的工作模式

输出滤波器的设计

固定频率和变频的比较

定频的控制模式

主要介绍电压模式，电流模式

主要介绍电压模式，电流模式

和拟合电流模式的控制方式

buck 的功率回路结构比较简单

由上下管，输出电感，输出电容组成

那么上下管交替导通

产生带占空比的功率脉冲

功率脉冲通过由电感和电容

组成的低通滤波器之后

输出一个稳定的直流电压

输入和输出的关系是

输入乘以 duty cycle 就等于输出电压值

输入乘以 duty cycle 就等于输出电压值

图上是工作在 CCM 模式下的

同步 buck 各个点的工作波形

从上往下我们可以看到

上管的驱动，下管的驱动

SW 端的电流，续流管的电流

包括 SW 的电压输出电压

和电感电流的波形

那么 duty cycle 就等于

Ton / (Ton + Toff)

在 CCM 模式下

第一个工作模态，上管导通

那么这个时候输入电压通过上管

给输出电感开始充电

电感的电流以一个固定的斜率

(Vin - Vout) /L，往上升

在这个工作间隔内，我们可以看到

输出的电感电流

以一个固定的斜率往上升

功率从输入端

通过 MOS 管和输出电感

向负载和电容放电

在下一个工作模态

上管关断，下管导通

下管进入续流状态

那么这个时候电感电流

以一个斜率往下降

续流二极管导通

能量由电感开始往负载和输出电容转移

那么在这个工作间隔内

我们可以看到电感电流

以一个固定的斜率往下降

能量从电感转移到负载端和输出电容端

那么这个是下一个情况

或者下一个周期的开始

这个时候下管开始关断

上管开始导通

图上显示的是

工作在 DCM 断续模式下的 buck

各个点的工作波形

从上往下我们可以看到

上管的驱动，下管的驱动

SW 端的电流波形

续流二极管的电流波形

包括 SW 端的电压，输出电压

和电感电流的波形

那么跟 CCM 相比

最大的区别就是电感电流会恢复到零

duty cycle = Ton / (Ton + Toff + Tdead)

在第一个工作模态

我们可以看到上管导通

能量从输入端

通过上管开始，流经电感

电感电流以一个固定的斜率往上升

那么下一个工作模态上管关断

下管开始导通

那么这个时候能量就从电感开始

往输出电容和负载转移

电感电流以一个固定的斜率往下降

在这个工作模态

电感电流会一直放到零

那么放到零之后

就进入到一个固定的间隔时间

或者说是死区时间

我们可以看到在这个间隔内

电感电流会恢复到零

这个时候上管下管都是关断的

duty cycle = Ton / (Ton + Toff + Tdead)

buck 电路的设计

输出 LC 的设计非常重要

通常我们根据所需要的输出指标

来选择相应的电感和电容的值

那么电感的值呢

通常先设定我们需要的

输出电流纹波 △I

通常选择10%到30%

选定电流纹波之后

根据相应的公式

根据输入和输出的电压

和期望的占空比

以及相应的开关频率

来计算所希望的电感值

那么电容的选择

主要的取决于输出纹波电压的选择

通常纹波电压就等于

输出电容的 ESR 乘以输出电感的电流纹波 △I

输出电容的选择非常重要

输出电容的选择决定了

输出纹波动态的特性

那么通常用的输入电容有以下几种

陶瓷电容，铝电解电容

铝 polymer 电容和钽 polymer 电容

每一种电容有相应的特性，价格

那么我们在设计的时候

要按照所需要的指标

包括成本的考虑

来选择不同的电容种类

常用的 buck 的输出电感有以下几种

工字电感，一体成型电感

和绕组成型电感

功率铁粉芯

那么不同的电感有不同的应用场合

价格也不一样

通常像工字电感会用在比较廉价的场合

或者是对成本要求比较高的场合

当然相应的它的 DCR 啊

power loss 会比较高一些

那么功率铁粉芯

相应的它的 power loss 会比较低

DCR 也非常小

但是呢电感值一般做的不会太大

通常是用在 VRM 低压大电流的场合

根据实际的需要

我们要按不同的指标

来选择不同的电感类型

图上显示的是主功率回路的小信号模型

根据这个小信号模型

我们可以得到主功率的传递函数

然后画出它的对应的波特图

我们可以看到对应的相频图和幅频图

通常的 DC buck 转折频率点

一般是在5k左右

对应的 ESR 的零点会在21k

ESL 对应的零点会在240k左右

输入滤波器的设计

对于动态指标的影响也非常大

通常我们需要按照动态负载的 slew rate

来选择输出电感值

按照上冲或者是下冲 △V 的幅度

来选择对应的输出电容的容量

那么按照图上的公式

我们可以近似地计算出

所需要的电感的值和电容的值

在 DC/DC buck 的设计当中

非常重要的一个指标

是控制器的最小导通时间

那么这个最小导通时间

来源于驱动的延时

反馈补偿回路的延时

和 PWM 比较器的延时

那么最小导通时间决定了

我们的控制器能够应用的

对应的输入输出和工作频率

通常在进行设计之前

我们需要核算控制器的最小导通时间

是否符合我们所做的 DC buck 的要求

以 TPS40170 为例

控制器的最小导通时间是100ns

那么在输入电压是60V

输出电压是5V和3.3V的时候

我们选定开关频率为600k

那么，按照公式

我们可以计算出最小导通时间

在5V的时候

最小导通时间是140ns

那么这个控制器是符合这个应用的

但是在3.3V的时候呢

这个最小导通时间需要的是91个ns

那么对于3.3V来说

40170 如果工作在600k的开关频率是不合适的

这个时候我们需要适当的降低开关频率

满足最小导通时间的要求

那么这个是固定频率的工作模式

和变频的工作模式一些简单的对比

定频的工作模式呢

不同的 DC buck

或者是多个 buck 可以

简单的同步

或者是做 interleave 交错并联

可以起到纹波对消的

减少在输出端的电容 ESR

和 PCB 上的损耗

那么 EMI 的峰值相应会比较高一些

同时受到最小导通时间

最小占空比的限制

变频的控制方式

那么变频的控制方式呢

它的补偿回路更容易调试

或者说是基本上不需要

或者说是基本上不需要

对补偿回路进行调试

EMI 的峰值会比较低

但是平均值一般会偏高

变频的工作方式呢

动态负载特性非常好

响应非常地快

回路补偿的器件非常的少

相比定频的工作模式

变频的回路补偿过程非常简单

大家好

我是TI电压参考设计团队的

应用工程师 Jason Yu

这个 topic 给大家介绍一下

TI 定频 DC buck 控制器的

控制策略，特点和分析

DC buck 的应用范围非常广

对应不同的客户要求

不同的产品应用

那么 TI 有非常多的 buck 产品

主要分为两大类

第一类是定频的控制方式

第二类是变频的控制方式

那么这一部分我们首先介绍一下

DCDC buck 的基本的工作模式

输出滤波器的设计

固定频率和变频的比较

定频的控制模式

主要介绍电压模式，电流模式

主要介绍电压模式，电流模式

和拟合电流模式的控制方式

buck 的功率回路结构比较简单

由上下管，输出电感，输出电容组成

那么上下管交替导通

产生带占空比的功率脉冲

功率脉冲通过由电感和电容

组成的低通滤波器之后

输出一个稳定的直流电压

输入和输出的关系是

输入乘以 duty cycle 就等于输出电压值

输入乘以 duty cycle 就等于输出电压值

图上是工作在 CCM 模式下的

同步 buck 各个点的工作波形

从上往下我们可以看到

上管的驱动，下管的驱动

SW 端的电流，续流管的电流

包括 SW 的电压输出电压

和电感电流的波形

那么 duty cycle 就等于

Ton / (Ton + Toff)

在 CCM 模式下

第一个工作模态，上管导通

那么这个时候输入电压通过上管

给输出电感开始充电

电感的电流以一个固定的斜率

(Vin - Vout) /L，往上升

在这个工作间隔内，我们可以看到

输出的电感电流

以一个固定的斜率往上升

功率从输入端

通过 MOS 管和输出电感

向负载和电容放电

在下一个工作模态

上管关断，下管导通

下管进入续流状态

那么这个时候电感电流

以一个斜率往下降

续流二极管导通

能量由电感开始往负载和输出电容转移

那么在这个工作间隔内

我们可以看到电感电流

以一个固定的斜率往下降

能量从电感转移到负载端和输出电容端

那么这个是下一个情况

或者下一个周期的开始

这个时候下管开始关断

上管开始导通

图上显示的是

工作在 DCM 断续模式下的 buck

各个点的工作波形

从上往下我们可以看到

上管的驱动，下管的驱动

SW 端的电流波形

续流二极管的电流波形

包括 SW 端的电压，输出电压

和电感电流的波形

那么跟 CCM 相比

最大的区别就是电感电流会恢复到零

duty cycle = Ton / (Ton + Toff + Tdead)

在第一个工作模态

我们可以看到上管导通

能量从输入端

通过上管开始，流经电感

电感电流以一个固定的斜率往上升

那么下一个工作模态上管关断

下管开始导通

那么这个时候能量就从电感开始

往输出电容和负载转移

电感电流以一个固定的斜率往下降

在这个工作模态

电感电流会一直放到零

那么放到零之后

就进入到一个固定的间隔时间

或者说是死区时间

我们可以看到在这个间隔内

电感电流会恢复到零

这个时候上管下管都是关断的

duty cycle = Ton / (Ton + Toff + Tdead)

buck 电路的设计

输出 LC 的设计非常重要

通常我们根据所需要的输出指标

来选择相应的电感和电容的值

那么电感的值呢

通常先设定我们需要的

输出电流纹波 △I

通常选择10%到30%

选定电流纹波之后

根据相应的公式

根据输入和输出的电压

和期望的占空比

以及相应的开关频率

来计算所希望的电感值

那么电容的选择

主要的取决于输出纹波电压的选择

通常纹波电压就等于

输出电容的 ESR 乘以输出电感的电流纹波 △I

输出电容的选择非常重要

输出电容的选择决定了

输出纹波动态的特性

那么通常用的输入电容有以下几种

陶瓷电容，铝电解电容

铝 polymer 电容和钽 polymer 电容

每一种电容有相应的特性，价格

那么我们在设计的时候

要按照所需要的指标

包括成本的考虑

来选择不同的电容种类

常用的 buck 的输出电感有以下几种

工字电感，一体成型电感

和绕组成型电感

功率铁粉芯

那么不同的电感有不同的应用场合

价格也不一样

通常像工字电感会用在比较廉价的场合

或者是对成本要求比较高的场合

当然相应的它的 DCR 啊

power loss 会比较高一些

那么功率铁粉芯

相应的它的 power loss 会比较低

DCR 也非常小

但是呢电感值一般做的不会太大

通常是用在 VRM 低压大电流的场合

根据实际的需要

我们要按不同的指标

来选择不同的电感类型

图上显示的是主功率回路的小信号模型

根据这个小信号模型

我们可以得到主功率的传递函数

然后画出它的对应的波特图

我们可以看到对应的相频图和幅频图

通常的 DC buck 转折频率点

一般是在5k左右

对应的 ESR 的零点会在21k

ESL 对应的零点会在240k左右

输入滤波器的设计

对于动态指标的影响也非常大

通常我们需要按照动态负载的 slew rate

来选择输出电感值

按照上冲或者是下冲 △V 的幅度

来选择对应的输出电容的容量

那么按照图上的公式

我们可以近似地计算出

所需要的电感的值和电容的值

在 DC/DC buck 的设计当中

非常重要的一个指标

是控制器的最小导通时间

那么这个最小导通时间

来源于驱动的延时

反馈补偿回路的延时

和 PWM 比较器的延时

那么最小导通时间决定了

我们的控制器能够应用的

对应的输入输出和工作频率

通常在进行设计之前

我们需要核算控制器的最小导通时间

是否符合我们所做的 DC buck 的要求

以 TPS40170 为例

控制器的最小导通时间是100ns

那么在输入电压是60V

输出电压是5V和3.3V的时候

我们选定开关频率为600k

那么，按照公式

我们可以计算出最小导通时间

在5V的时候

最小导通时间是140ns

那么这个控制器是符合这个应用的

但是在3.3V的时候呢

这个最小导通时间需要的是91个ns

那么对于3.3V来说

40170 如果工作在600k的开关频率是不合适的

这个时候我们需要适当的降低开关频率

满足最小导通时间的要求

那么这个是固定频率的工作模式

和变频的工作模式一些简单的对比

定频的工作模式呢

不同的 DC buck

或者是多个 buck 可以

简单的同步

或者是做 interleave 交错并联

可以起到纹波对消的

减少在输出端的电容 ESR

和 PCB 上的损耗

那么 EMI 的峰值相应会比较高一些

同时受到最小导通时间

最小占空比的限制

变频的控制方式

那么变频的控制方式呢

它的补偿回路更容易调试

或者说是基本上不需要

或者说是基本上不需要

对补偿回路进行调试

EMI 的峰值会比较低

但是平均值一般会偏高

变频的工作方式呢

动态负载特性非常好

响应非常地快

回路补偿的器件非常的少

相比定频的工作模式

变频的回路补偿过程非常简单