降壓型開關(guān)電源(BUCK)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

降壓型開關(guān)電源(BUCK)是實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛使用的電路，本文來詳細(xì)說一說相關(guān)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。這里不考慮集成的開關(guān)電源，分控制和驅(qū)動(dòng)、開關(guān)管、電感等部分講。

文章目錄

• 基本結(jié)構(gòu)
• 控制和驅(qū)動(dòng)
• 開關(guān)管
• 自舉電容
• 電感
• 電容
• 工作頻率選擇
• 其他注意事項(xiàng)

基本結(jié)構(gòu)

控制和驅(qū)動(dòng)

上圖為一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中典型的BUCK開關(guān)電源電路。最左側(cè)的TPS40200為一個(gè)控制器，一般可以是任意能輸出PWM的單片機(jī)或者芯片，中間的TPS28225是一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。

驅(qū)動(dòng)是開關(guān)電源非常重要的一部分，其作用是接收控制器的控制信號(hào)(一般是PWM)，并轉(zhuǎn)換輸出。其重要性主要體現(xiàn)在能快速控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，我們都知道芯片和PCB上存在寄生電容，由電容的電壓電流計(jì)算公式

為使得開關(guān)管控制端輸入電壓快速達(dá)到閾值，一般需要輸出器件在短時(shí)間內(nèi)能提供一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)電流，而一般作為控制器的單片機(jī)IO輸出能力較弱，因此驅(qū)動(dòng)器的主要作用就是提供“驅(qū)動(dòng)能力”。

上圖中的TPS28225是一種能接受一路PWM輸出并轉(zhuǎn)化為兩路輸出的驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)輸入為PWM高電平時(shí)，輸出控制開關(guān)管上管導(dǎo)通，下管截止，此時(shí)電感左側(cè)為電源電壓，其實(shí)就是給儲(chǔ)能器件充電;反之輸入為PWM低電平時(shí)，輸出控制開關(guān)管上管截止，下管導(dǎo)通，此時(shí)電感左側(cè)為地，儲(chǔ)能器件持續(xù)釋放能力給負(fù)載。從這樣一個(gè)反復(fù)充放電的過程來看，開關(guān)電源有點(diǎn)像一個(gè)水塔，先從輸水管抽水維持水位在某個(gè)高度，然后能以恒定的水壓送水。

上圖為TPS28225內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。實(shí)際上早期很多驅(qū)動(dòng)器是多輸入多輸出的，即每一路PWM輸入控制一個(gè)開關(guān)管，從框圖中可以看出TPS28225下管輸出回路比上管多一個(gè)非門，其實(shí)就是內(nèi)部進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，因?yàn)殚_關(guān)電源的上下開關(guān)管總是不同時(shí)導(dǎo)通的，這樣的設(shè)計(jì)除了省了一個(gè)控制信號(hào)輸入之外，最大的好處就是防止控制器輸出錯(cuò)誤導(dǎo)致上下管同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)會(huì)形成低阻通道，大電流很容易將開關(guān)管甚至上級(jí)電路燒毀。

仔細(xì)看的話會(huì)發(fā)現(xiàn)上面TPS28225的設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)NMOS，我們知道NMOS是高電平導(dǎo)通低電平截止的，或許有人會(huì)問為什么不使用一個(gè)NMOS一個(gè)PMOS，由于兩者的控制邏輯是相反的，此時(shí)就可以使用同一個(gè)輸出控制兩個(gè)開關(guān)管了，也避免了兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通是問題，關(guān)于這個(gè)問題將在下一節(jié)解答。

開關(guān)管

上圖為前文(電源學(xué)習(xí)總結(jié)(五)——開關(guān)電源基本原理)中提到的降壓型開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，注意到其中只有一個(gè)MOSFET。

注意看上面TPS28225組成的開關(guān)電源，可以看到和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，其中使用了兩個(gè)MOSFET，實(shí)際上拓?fù)渲皇钦f明了該類開關(guān)電源的基本原理和結(jié)構(gòu)，實(shí)際上多用雙MOSEFET結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠湫矢撸阅芨谩?/p>

我們知道實(shí)際的二極管是有寄生電容的，拓?fù)渲蠱OSFET的導(dǎo)通和截止的切換分別對(duì)應(yīng)了二極管PN結(jié)反偏和正偏的切換，由于寄生電容導(dǎo)致的反向恢復(fù)時(shí)間導(dǎo)致其在二極管上有較大的損耗，并且限制了開關(guān)管的開關(guān)頻率(后面會(huì)提到不同工作頻率對(duì)開關(guān)電源性能的影響)。實(shí)際上早期的開關(guān)電源是使用一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管設(shè)計(jì)的，但后來對(duì)電源的效率和其他性能要求原來越高，這樣的方案逐漸被淘汰了。

前面提到了為什么不使用一個(gè)PMOS一個(gè)NMOS的問題，其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，在之前的博文中也有提到過，因?yàn)镹MOS工藝更好、效率更高、成本更低啊。

事實(shí)上最開始驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的時(shí)候也有使用一個(gè)PMOS一個(gè)NMOS的方案，此時(shí)一般選擇上管為NMOS，因?yàn)橐话闵瞎艹惺艿碾娏鞲蟆?/p>

自舉電容

還記得在上一篇文章電源學(xué)習(xí)總結(jié)(五)——開關(guān)電源基本原理中我們留了一個(gè)問題，就是上管(上圖中的Q1)的完全導(dǎo)通往往需要一個(gè)遠(yuǎn)高于常規(guī)控制電壓(一般為3.3V或者5V)的柵極電壓(對(duì)三極管來說是基極，對(duì)大功率常用的IGBT來說是門級(jí)，但都是一個(gè)意思，都是控制端，需要的電壓都較高，至少高于控制信號(hào)電壓)，那是否真的需要產(chǎn)生這樣一個(gè)較高的電壓呢?

答案顯然是否定的，為了使上管導(dǎo)通，VHG=VSW+VTH，其中VSW=VOUT(簡(jiǎn)單理解輸出的電感說白了就是個(gè)線圈，就是~ 呃 ~ 一段導(dǎo)線)，V TH是MOSFET完全導(dǎo)通需要的控制電壓，一般是5-10V，也就是說BUCK輸出電壓VOUT=5V時(shí)，VHG至少為10V，而為了快速開關(guān)半導(dǎo)體管，控制器需要的輸出能力并不低，一般是安培級(jí)別的，就算驅(qū)動(dòng)電流只有1A，則需要的驅(qū)動(dòng)器輸出功率也需要10W━((′д`)爻(′д`))━!!!)，要達(dá)到這樣的功率一般需要BOOST電路，這樣的設(shè)計(jì)顯然太復(fù)雜了。

事實(shí)上我們很容易發(fā)現(xiàn)，使上管完全導(dǎo)通需要的額外電壓來自VSW，而實(shí)際上我們只需要使得MOSFET的柵源電壓超過一定值就行了(這里面實(shí)際上是一個(gè)參考點(diǎn)的問題，我們一般認(rèn)為電路中的GND為電勢(shì)參考零點(diǎn)，但對(duì)上官的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來說實(shí)際上把VSW作為參考更合適)。

基于這樣的思想，我們來分析上圖的電路，圖中CBOOT就是自舉電容，當(dāng)PWM輸出為低，即Q1關(guān)閉，Q2導(dǎo)通時(shí)，VSW=0，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通，對(duì)CBOOT充電;當(dāng)PWM輸出為高，即Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉時(shí)，VSW=VOUT，此時(shí)二極管D1截至，由于電容兩端電壓不突變的特性，我們驚訝的發(fā)現(xiàn)此時(shí)VBOOT=VSW+VC_BOOT≈VOUT+VCC ∑( 口 ||，而從圖中可以看出，BOOT引腳在芯片內(nèi)部是連接到上管驅(qū)動(dòng)器的電源，從而達(dá)到提高上官驅(qū)動(dòng)電壓的目的。

此時(shí)讀者可能會(huì)有這樣一個(gè)疑問，前面不是說驅(qū)動(dòng)功率很高嗎，為什么這里一個(gè)電容就能驅(qū)動(dòng)?兩個(gè)原因，第一，前面提到的是以GND為零點(diǎn)設(shè)計(jì)電源，而這里以VSW(或者說VOUT)為零點(diǎn)，實(shí)際上降低了驅(qū)動(dòng)器需要的電壓;第二，實(shí)際上電容的放電能力非常強(qiáng)(具體表現(xiàn)為其能在很短時(shí)間內(nèi)輸出一個(gè)較大的電流)，只不過其儲(chǔ)存的能量有限，而開關(guān)電源的工作過程是一個(gè)不斷開關(guān)的過程，所以只需要在一個(gè)周期內(nèi)充放電達(dá)到平衡即可，這一點(diǎn)事實(shí)上和輸出是類似的，只要參數(shù)設(shè)計(jì)合理使其工作在連續(xù)模式(就是說充的電夠放電用不會(huì)斷電)，就能使驅(qū)動(dòng)器正常工作。

這里順便提一下，這里的自舉電容工作原理實(shí)際上類似倍壓整流(或者電荷泵)。

電感

如果要從理論上分析，電感的選擇實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，可以從輸出電壓和紋波反推，也就是一個(gè)KVL方程組，但由于真實(shí)的電感存在電阻，且實(shí)際電感的大小受工作電壓、環(huán)境溫度的影響，因此實(shí)際需要的電感會(huì)遠(yuǎn)大于計(jì)算值，因此工程上常用經(jīng)驗(yàn)法 ~ 呃 ~ 你沒聽錯(cuò)，就是憑經(jīng)驗(yàn)。

呃 ~ 也不全是，一般集成的開關(guān)電源芯片datasheet中會(huì)給部分設(shè)計(jì)參數(shù)下的參考感值，這是芯片設(shè)計(jì)廠商測(cè)試過的，可以放心使用。如果實(shí)際使用的不在給出的參考列表中，也可以選擇一個(gè)工作條件接近的近似。

而對(duì)于自己設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，如果沒有參考，也可以借助計(jì)算機(jī)求解，許多計(jì)算工具都會(huì)將寄生參數(shù)考慮在內(nèi)，因此計(jì)算得到的結(jié)果非常接近實(shí)際情況，這里推薦一家在想網(wǎng)站。

coilcraft線藝

在在線工具中輸入設(shè)計(jì)參數(shù)如上圖所示，即可得到可用的電感類型和參數(shù)列表如下圖所示。

可以對(duì)列表按某一條件排序，如對(duì)開關(guān)電源效率有較高要求時(shí)，可以對(duì)Total losses(mW)排序，同時(shí)需要關(guān)注Isat(飽和電流)，Irms (溫升電流)等參數(shù)。

這里隨機(jī)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)得到一張表，從表中可以看出電流為1A時(shí)感值明顯下降，這也是為什么工程上使用的感值往往比理論計(jì)算得到的結(jié)果大許多的原因，實(shí)際上一般電感感值的測(cè)量是在電流接近零的條件下得到的，隨著電流增大感值會(huì)下降(大概是因?yàn)榇判栽呕€非線性或者磁飽和等原因引起的吧，這個(gè)我也不是很懂,???,)。

解決了感值問題，還需要解決電感種類問題。一般而言使用工具推薦的電感就行，但要注意幾個(gè)坑。

1.工字形電感一般是測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)用的，一般工具也不會(huì)推薦給你，但如果使用CD系列電感要特別注意飽和電流，因?yàn)槠浯判圆牧洗呕€比較 ~ Emmmm ~ 難以描述，在電流超過一定值的時(shí)候，其感值會(huì)迅速降到0，沒錯(cuò)!就是幾乎等同于一根導(dǎo)線，此時(shí)相當(dāng)于把電源電壓直接輸出，大概率 ~ 呃，不 ~ 肯定燒后面的電路(/(ㄒoㄒ)/~ ~ 作者曾為此買單大800/(ㄒoㄒ)/~ ~ 血的教訓(xùn)啊)。

2.coilcraft上還會(huì)提供這種下面電感，其好處是寄生電阻非常低!接近0!也就是說能讓電源在電感上的損耗降到最低，但缺點(diǎn)是體積大，而且貴!非常貴!(官方正品貌似兩三百一個(gè)，但能申請(qǐng)樣品 ~ 以前能，現(xiàn)在不知道(_))。

3.最常見的鐵氧體多層型貼片一般也不會(huì)用，因?yàn)槭芟抻隗w積一般其體積和承受的電流都不會(huì)很大(不絕對(duì)!)，功率電感常用一體成型(最常用，作者一般管他叫鐵蛋蛋)、磁屏蔽電感、扁銅帶電感等，也有大神能自己繞的。

電容

電容分為輸入電容和輸出電容。

對(duì)輸入電容來說，一般工作頻率大于100kHz時(shí)，其對(duì)輸出的影響很小，所以一般并聯(lián)20-100μf的電解電容和陶瓷電容即可(兩者PCB布局也有講究，這個(gè)問題以后再說)。

對(duì)輸出電容來說，顯然電容并聯(lián)越多，容值越大，紋波越小。實(shí)際上確實(shí)能用疊“電容塔”的方法降低輸出紋波，但由于PCB布局等原因，其等效容值并不能像理想的那樣無限增大(當(dāng)然不行，電容在PCB上布局不可能到輸出等距，即線路寄生電阻不等，電流是喜歡偷懶的(_)，他會(huì)優(yōu)先使用離他距離近 ~ 電阻小 ~ 的，所以受限于PCB布局，實(shí)際能用的電容是有限的)。實(shí)際上我們也只需要使其符合設(shè)計(jì)參數(shù)即可，理論上類似電感能計(jì)算，但問題也是一樣的，工程上主要憑經(jīng)驗(yàn)。

在選型上，工作頻率較低時(shí)一般用鋁電解電容，因?yàn)楣ぷ黝l率較低時(shí)往往紋波較大，需要的容值較大，而鋁電解電容比較容易做到較大的容值;工作頻率較高時(shí)使用陶瓷電容，或者與鋁電解電容組合使用，因?yàn)殇X電解電容是兩條鋁箔夾著電解質(zhì)繞成的，在高頻表現(xiàn)出較大的感性。

工作頻率選擇

工作頻率的選擇主要受限于體積、效率、成本!

上圖是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中頻率和各元件的體積關(guān)系，可以看到頻率小于200kHz時(shí)，輸入輸出電容、輸出電感的體積都非常大，因此很少將工作點(diǎn)設(shè)置于此處(不絕對(duì)!);工作頻率在200-400kHz之間時(shí)，頻率對(duì)體積的影響已經(jīng)明顯變小，綜合考慮效率和成本常將工作點(diǎn)設(shè)置于此;工作頻率大于400kHz時(shí)雖然體積更小，但效率會(huì)大幅度降低，因此常規(guī)設(shè)計(jì)一般不會(huì)把工作點(diǎn)設(shè)計(jì)于此(不絕對(duì)!)。

實(shí)際上可以記住一個(gè)結(jié)論，傳到損耗與開關(guān)損耗相等時(shí)總損耗最低，其中傳導(dǎo)損耗指半導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)其等效電阻的損耗，一般只和器件本身和工作條件有關(guān)，器件導(dǎo)通電阻Rds_on越小，工作電流和溫度越低，傳導(dǎo)損耗越小;開關(guān)損耗是器件寄生電容和寄生電感引起的，下圖中陰影區(qū)域即表示開關(guān)損耗。

顯然工作頻率越高，開關(guān)損耗越高。

總結(jié)一下，開關(guān)電源工作頻率越高，體積越小，但損耗越高，效率越低。常規(guī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)往往將工作頻率設(shè)置為200-600kHz，但像給筆記本電腦CPU供電的開關(guān)電源往往工作在1MHz以上，因?yàn)槠鋵?duì)體積有很高要求。

其他注意事項(xiàng)

由于開關(guān)電源的工作原理是控制開關(guān)管的不斷導(dǎo)通和截止，因此如果負(fù)載為模擬電路或者對(duì)噪聲抑制有較高要求，一般需要單點(diǎn)接地以減小開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲對(duì)電路的影響。