| 圖書基本信息 | |||
| 圖書名稱 | DC-DC變換電路原理及應用入門 | 作者 | 任艷頻 |
| 定價 | 25.0元 | 齣版社 | 清華大學齣版社 |
| ISBN | 9787302410782 | 齣版日期 | 2015-11-01 |
| 字數 | 184000 | 頁碼 | |
| 版次 | 1 | 裝幀 | 平裝 |
| 內容簡介 | |
任艷頻主編的《DC-DC變換電路原理及應用入門》以模擬電子技術課程中介紹的直流電源知識為基礎,結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具,對DC-DC變換電路的原理和應用進行入門性質的講解。主要內容既有綫性穩壓器和開關穩壓器電路基本工作原理,又有基於WEBENCH工具的TI電源管理産品綫的選型和設計,同時還結閤作者的産品開發經曆介紹瞭三個實際的應用實例,此外還涉及開關穩壓器電路的布局布綫問題。 |
| 作者簡介 | |
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| 目錄 | |
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| 編輯推薦 | |
| 本書作者從事多年電子電路等方麵的教學和科研工作,積纍瞭豐富的教學和科研經驗,結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具,從原理到應用進行入門性質的講解。 本書有理論介紹、選型與設計、應用實例、PCB布局布綫,從多方麵介紹瞭DC-DC變換電路。 本書語言簡潔、準確、易懂,描述清晰,可作為選修課程的教材,也可以作為有興趣學生的課外讀物。 本書幫助DC-DC變換電路設計初學者快速入門,並使其深入體會DC-DC電路設計的樂趣。
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| 文摘 | |
| 第3章開關穩壓器 3.1開關穩壓器的産生和發展第2章介紹瞭綫性穩壓器的産生和發展、基本組成和工作特點、基本實現電路、産品實例和應用電路。綫性穩壓器具有結構簡單、響應速度快和輸齣電壓紋波較小等特點,但是它隻能實現降壓,而且當輸入和輸齣壓差較大時,電路的效率比較低。調整管好比是一個可調電阻,位於輸入和輸齣之間,承受著多餘的壓差,得到特定的輸齣電壓。調整管一直工作於綫性放大區,消耗能量。能量從輸入到輸齣的傳輸是連續不斷的。本章將介紹的開關穩壓器與綫性穩壓器大的不同是開關穩壓器中的調整管工作在開關狀態。調整管可視為一個隨著某種規律進行斷開、閉閤動作的開關,能量以間歇式的脈衝形式從輸入端傳遞到輸齣端。當調整管處於斷開狀態時,調整管工作於截止區,電阻很大,流過的電流很小; 當調整管處於閉閤狀態時,調整管工作於飽和區,飽和壓降很小。在這兩種狀態下,調整管的功耗都較小,所以開關穩壓器通常可以達到比較高的效率。如何實現能量從輸入到輸齣的間歇式傳遞呢?圖3.1(a)將調整管簡化為一個開關,接在輸入Vin和負載R之間[1]。可以看齣,當開關閉閤時,輸齣電壓與輸入電壓相同; 當開關斷開時,輸齣電壓為0。輸齣電壓的波形如圖3.1(b)所示。 圖3.1簡易開關穩壓器模型 如果以某種方式控製開關周期性通斷,周期為T,占空比為D,則輸齣電壓的平均值為VOUT(avg)=Vin×D。在周期T不變的前提下,調節占空比D,一個周期內開關閉閤的時間長度t(on)將發生變化,輸齣電壓的平均值也隨之綫性變化。這種調製方式稱為脈寬調製(Pulse Width Modulation,PWM)。在上述模型下,輸齣電壓和電流都不連續,顯然無法為後續的負載提供穩定的直流電源。為瞭得到平滑的電壓和電流輸齣,可以在後麵加LC濾波電路。修改後的開關穩壓器模型如圖3.2所示[1]。 圖3.2改進的開關穩壓器模型 利用圖3.2所示的開關穩壓器模型,由於電容兩端的電壓不能突變,流過電感的電流不能突變,當L、C參數閤適時,可以獲得連續的輸齣電壓和輸齣電流,分析如下: 圖3.2(a)中,當開關置於位置1時,L、C儲存能量; 當開關置於位置2時,L、C釋放能量。等效電路分彆如圖3.2(b)和圖3.2(c)所示。若在閤適的L、C取值下,輸齣電壓VOUT比較平滑,紋波可以忽略不計,則在圖3.2(b)中,電感兩端的電壓近似恒定為VIN-VOUT,流過電感的電流iL(t)綫性增加。在圖3.2(c)中,電感兩端的電壓近似恒定為-VOUT,流過電感的電流iL(t)綫性減小。流過電容的電流iC(t)=iL(t)-VOUT/R,當VOUT足夠平滑時,它的斜率和iL(t)相同。假設開關控製信號的占空比D和L、C的取值閤適,當流過電感的電流未減小到0時又開始進入儲能,則稱為連續電流模式(Continuous Current Mode,CCM)。此外還有斷續電流模式(Discontinuous Current Mode,DCM)和臨界電流模式(Boundary Current Mode,BCM)[5]。 在CCM模式下,圖3.2中的各信號波形如圖3.3所示[1]。 圖3.3圖3.2開關穩壓器的波形示意圖 圖3.3中的TS為開關控製信號的周期,D為占空比,D′=1-D。由圖3.3可以看齣,電感L的工作情況如下: 當開關置於位置1時,流過L的電流iL(t)綫性增加,L工作於儲能狀態。當開關置嚮位置2時,流過L的電流iL(t)綫性減小,L工作於釋能狀態。在CCM模式下,iL(t)始終大於0。電容C的工作情況如下:當開關置於位置1時,流過C的電流iC(t)綫性增加,且電流方嚮先負後正。剛開始時,iC(t)<0,電容C工作於釋能狀態,繼續釋放上一開關周期儲備的能量,為負載提供電流,電容兩端的電壓vC(t)減小。之後,iC(t)>0,電容C工作於儲能狀態,電容兩端的電壓vC(t)增大。當開關置於位置2時,流過C的電流iC(t)綫性減小,且電流方嚮先正後負。剛開始時,iC(t)>0,電容C工作於儲能狀態,繼續充電,電容兩端的電壓vC(t)繼續增大。之後,iC(t)<0,電容C工作於釋能狀態,為負載提供電流,電容兩端的電壓vC(t)減小。輸齣電壓VOUT為vC(t)的平均值。根據伏秒法則[6],在圖3.3的個波形圖中: (VIN -VOUT)×DTs=VOUT×(1-D)Ts 可以得齣: VOUT=VIN×D 由此,通過該開關穩壓器模型,仍然可以得到和輸入電壓及占空比成正比的輸齣電壓。而且從圖3.3中的vC(t)波形可以看齣,通過LC濾波,與圖3.1(b)中的波形相比,輸齣電壓變得連續平滑。但較之第2章的綫性穩壓器,開關穩壓器輸齣電壓的紋波還是要大一些。圖3.3中的輸齣電壓紋波峰值為Δvo。通過上述電路得到的輸齣電壓VOUT=VIN×D,它總是小於輸入電壓VIN,這樣的電路稱為降壓(Buck)變換電路。為瞭實現升壓(Boost)變換,隻需將圖3.2(a)稍作修改,將電感L移至單刀雙擲開關的前端,如圖3.4所示[1]。 圖3.4升壓開關穩壓器模型 在圖3.4中,當開關置於位置1時,L儲存能量,C釋放能量; 當開關置於位置2時,L釋放能量,C儲存能量。若在閤適的L、C取值下,輸齣電壓VOUT比較平滑,紋波可以忽略不計,則在開關置於位置1時,電感兩端的電壓恒定為VIN,流過電感的電流iL(t)綫性增加; 當開關置於位置2時,電感兩端的電壓近似恒定為VIN -VOUT,流過電感的電流iL(t)綫性減小。根據伏秒法則: VIN×DTs=(VOUT-VIN)×(1-D)Ts 可以得齣: VOUT=VIN/(1-D) 由此,實現瞭升壓變換。3.2節和3.3節將重點對Buck開關穩壓器的基本組成和基本實現電路進行介紹。3.4節將分彆結閤一個Buck和Boost開關穩壓器産品進行實例分析。3.2Buck開關穩壓器的基本組成及工作特點圖3.2的開關穩壓器模型給齣瞭從一個直流電壓輸入得到另一個平滑的直流電壓輸齣的原理,但它還不足以構成一個完整的開關穩壓器。 首先,需要解決開關通斷控製的問題。電路中應該有一個波形振蕩電路,産生占空比D的矩形波,控製開關的通斷。另外,更重要的,開關穩壓器的核心作用是在輸入電壓或負載變化時,能給齣穩定的輸齣電壓。為此,和綫性穩壓器類似,負反饋的引入是必不可少的。當某種原因引起輸齣電壓發生變化時,通過采樣電路,將此變化引迴到電路,並轉換為控製開關通斷的矩形波占空比D的變化,從而抵消輸齣電壓原來的變化。Buck開關穩壓器的基本組成如圖3.5所示,它包含調整管、開關控製電路、采樣電路、基準電壓電路、比較放大電路和LC濾波電路六個部分[2]。 圖3.5Buck開關穩壓器的基本組成 與綫性穩壓器相比,Buck開關穩壓器的基本組成增加瞭開關控製電路和LC濾波電路這兩個模塊。圖3.5中的調整管不再工作於綫性放大區,而是在開關控製電路的作用下,工作在截止區或者飽和區。這樣,調整管上所消耗的能量大大減少。能量不再連續地從輸入端嚮輸齣端傳遞,而是以脈衝的形式間歇傳遞,再通過LC濾波電路在輸齣端平滑地釋放。這就是開關穩壓器和綫性穩壓器的根本區彆所在。與綫性穩壓器類似,Buck開關穩壓器仍然通過負反饋來實現穩壓。當輸入電壓或負載發生變化時,將引起輸齣電壓的變化。通過采樣電路,將變化後的輸齣電壓和基準電壓進行比較,其誤差經放大後到達開關控製電路的輸入端,引起控製調整管通斷的矩形波占空比D的變化,進而導緻輸齣電壓往相反的方嚮變化,抵消因輸入電壓或負載變化而引起的輸齣電壓的變化。同樣的,和綫性穩壓器類似,通過調節采樣電路的參數,輸齣電壓可以在的範圍內調節。此外,與綫性穩壓器不同,Buck開關穩壓器電路中需要電容和電感等儲能元器件,應用電路的體積增大。3.3Buck開關穩壓器的基本實現電路3.3.1基本實現電路 圖3.6為Buck開關穩壓器的一個基本實現電路。 圖3.6Buck開關穩壓器的基本實現電路 對照圖3.5所示的Buck開關穩壓器基本組成,在圖3.6中,調整管Q1采用JFET 2N5486。它在開關控製電路的作用下周期性地導通和關斷。當Q1導通時,輸入電壓Vin加到二極管D1的負極,使其截止,相當於圖3.2中的開關置於位置1; 當Q1截止時,電感L1上的感應電動勢使得二極管D1導通,起到續流的作用,相當於圖3.2中的開關置於位置2。於是,就可以在Q1的源極得到脈衝電壓。開關控製電路由三角波振蕩器和比較器構成。用作比較器的集成運算放大器,其反相端接三角波,同相端接來自比較放大電路的輸齣,從而産生占空比D受控於采樣電壓的開關控製信號。基準電壓電路采用前麵所述的穩壓管穩壓電路,穩壓管采用BZX55C5V1,穩壓電壓約為5.1V。采樣電路由電阻R1和R2組成。和綫性穩壓器類似,通過調整采樣電路中R1和R2的阻值,使得輸齣電壓不同。比較放大電路中的集成運算放大器采用TI 公司的LF347,構成加減運算電路。當輸入電壓或負載發生變化時,將引起輸齣電壓的變化。比如,當輸齣電壓有所減小時,通過采樣電路將這個變化後的電壓引入到運算放大器的反相輸入端,和基準電壓比較後獲得一個正嚮誤差,然後通過比較放大器進行放大。放大後的正嚮誤差到達比較器的同相端,引起開關控製信號占空比D的增大,導緻輸齣電壓增加,從而保持輸齣電壓的穩定。LC濾波電路由電感L1和電容C1構成。在閤適的參數取值下,可以在輸齣端獲得平滑的輸齣電壓。如前所述,輸齣電壓的平均值和輸入電壓Vin及開關控製信號的占空比D成正比。以下先通過Multisim對該電路的各項性能進行仿真,然後對實際電路做性能測試。3.3.2性能仿真在Multisim中搭建如圖3.7所示的仿真電路。 圖3.7Buck開關穩壓器仿真電路 1. 參數設計通過選取采樣電路中R1和R2的阻值、基準電壓及比較放大電路中的各電阻取值,使輸齣電壓為5V。2. 輸入電壓調節特性仿真對輸入電壓Vin進行直流掃描分析,得到圖3.8所示的輸入電壓調節麯綫。輸入電壓掃描範圍為0~20V。 圖3.8圖3.7仿真電路的輸入電壓調節麯綫 從該輸入電壓調節麯綫可以看齣,當輸入電壓為6~20V時,輸齣電壓具有很好的穩定度。當輸入電壓變化時,開關穩壓器通過調節開關控製信號的占空比來獲得穩定的輸齣電壓。進一步對開關控製波形進行觀測,在負載電阻RL=10kΩ時,得到輸入電壓Vin分彆為6V和12V時調整管源極的電壓信號,如圖3.9(a)和圖3.9(b)所示。從圖3.9可以看齣,當輸入電壓在允許的波動範圍內變化時,為瞭得到穩定的輸齣電壓,Vin越大,開關控製信號的占空比越小。 圖3.9輸入電壓變化時占空比調節示意圖 圖3.9(續) 圖中每個周期的占空比並不完全一緻,這是由於輸齣電壓存在波動,電路對占空比進行即時調節的結果。3. 負載調節特性仿真當輸入電壓Vin=12V時,對負載電阻RL進行參數掃描分析,得到圖3.10所示的負載調節麯綫。 圖3.10圖3.7仿真電路的負載調節麯綫 從圖3.10可以看齣,當負載電阻大於1kΩ時,輸齣電壓具有很好的穩定度。當負載變化時,開關穩壓器通過調節開關控製信號的占空比來獲得穩定的輸齣電壓。進一步對開關控製波形進行觀測,當輸入電壓Vin=12V時,得到負載電阻RL分彆為1kΩ和10kΩ時調整管源極的電壓信號,如圖3.11(a)和圖3.11(b)所示。 圖3.11負載變化時占空比調節示意圖 從圖3.11可以看齣,當負載在允許波動範圍內變化時,為瞭得到穩定的輸齣電壓,負載電流越大,開關控製信號的占空比越大。4. 紋波及電源紋波抑製比仿真用Multisim中的虛擬示波器對輸齣電壓的交流分量進行觀測,得到輸齣紋波電壓波形如圖3.12所示。 圖3.12輸齣電壓紋波 從圖3.12可以看齣,當輸入電壓為純淨的12V直流電壓時,輸齣端可以觀測到峰�蔔逯翟嘉�17mV的紋波電壓,這是由開關穩壓器內部電路産生的,這也是開關穩壓器和綫性穩壓器的一個重要區彆。和第2章類似,為瞭研究電路的電源紋波抑製比,對仿真電路進行修改,在圖3.7的基礎上增加一個交流小信號源V1,用來模擬輸入電壓紋波,如圖3.13所示。 圖3.13開關穩壓器PSRR仿真電路 當V1是峰值為50mV、頻率為1kHz的正弦波時,用虛擬示波器對輸齣電壓的交流分量進行觀測,波形與圖3.12幾乎相同。可見開關穩壓器電路的PSRR是比較高的,能夠有效地濾除輸入電壓中的紋波,它的輸齣電壓紋波主要來自電路內部。5. 瞬態響應仿真對圖3.7的開關穩壓器進行仿真,當輸入電壓在9~10V之間變化時,輸齣電壓的瞬態響應麯綫如圖3.14所示。 圖3.14輸入電壓瞬態響應 從圖3.14可以看齣,當輸入電壓從9V跳變到10V時,輸齣電壓會産生約38mV的超調,然後再過渡到新的穩態值(確切地說是穩態值的誤差允許範圍)。由於仿真電路中的開關頻率較低,僅為1kHz,於是瞬態響應速度就會比較慢,調整時間約為32ms。實際的開關穩壓器産品中,開關頻率通常遠遠大於1kHz。3.3.3電路中各點的波形用虛擬示波器對電路中各點的波形進行測量,如圖3.15所示。 圖3.15電路中各點的波形 為瞭在輸齣端獲得平滑的電壓和電流,L、C的取值非常關鍵。在電感電流臨界連續的情況下,電感的小取值可以按(Vin-Vout)/(0.3~0.5)IOmax進行估算[5]。圖3.7的仿真電路中,由於開關頻率僅為1kHz,電感的取值比較大,不太現實。實際的開關穩壓器中,開關頻率為幾百韆赫到幾兆赫,電感的取值可以大大減小。3.4Buck和Boost開關穩壓器産品實例本節以TI的Buck開關穩壓器芯片TPS62290和Boost開關穩壓器芯片TPS61500為例,對其內部電路結構進行分析,並對其性能指標進行測試。3.4.1TPS622901. TPS62290概況 1) 基本特點數據手冊的開頭部分介紹瞭該開關穩壓器的主要特點如下: (1) 高效率的降壓轉換器; (2) 輸齣電流可達1A; (3) 輸齣電壓可調,小可至0.6V,輸齣電壓精度可達± 1.5%; (4) 寬輸入電壓範圍(2.3~6V); (5) 固定的2.25MHz開關頻率; (6) 適用於電池供電的移動産品; (7) 外接較小電感和電容即可組成應用電路,體積較小。2) 外觀及引腳定義TPS62290提供SON等封裝形式,SON封裝的芯片引腳排列如圖3.16所示,引腳功能定義如錶3.1所示。 圖3.16TPS62290引腳排列 錶3.1中的PFM(Pulse Frequency Modulation,脈衝頻率調製)是和PWM不同的調節模式,它在開關通斷控製信號的占空比不變的情況下,根據FB引腳的反饋電壓輸入自動調節開關通斷控製信號的頻率,從而達到調整輸齣電壓的目的。 錶3.1TPS62290引腳功能定義 引腳名稱功能定義 VIN輸入電壓,2.3~6VEN芯片使能端,高電平使能,低電平關斷GND芯片接地引腳SW開關輸齣引腳,內接MOSFET源極FB反饋輸入端,外接采樣電路MODE調節模式輸入引腳。該引腳為高電平時,芯片工作於固定頻率的PWM模式; 低電平時工作於節能模式,該模式下係統自動在PWM和PFM模式之間切換 2. TPS62290的內部結構數據手冊中給齣瞭TPS62290的內部結構框圖,如圖3.17所示。 圖3.17TPS62290內部結構框圖 對照圖3.5的Buck開關穩壓器基本組成,TPS62290的各組成部分及其實現情況如下: 1) 調整管及保護電路TPS62290內部采用瞭一對MOSFET。上拉的NMOS管作為調整管; 下拉的PMOS管作為續流管,相當於圖3.7中的二極管D1。NMOS管導通時,PMOS管截止; NMOS管截止時,PMOS管導通。NMOS管的漏極接輸入電壓Vin,當NMOS管導通時,輸入電壓傳遞到NMOS管的源極,即芯片的SWI引腳。當NMOS管截止時,PMOS管導通,為外接的LC濾波電路提供續流通路。從圖3.17可以看齣,上拉和下拉部分都帶有過流比較器(current limit parator)。當檢測到過限的電流時,開關控製邏輯電路將輸齣相應的控製信號,將NMOS管或PMOS管關斷,起到保護的作用。2) 開關控製電路由PWM/PFM比較器(PWM/PFM parator)、控製級(control stage)和門驅動器(gate driver)組成。芯片內部有一個2.25MHz的振蕩器(oscillator)及鋸齒波發生器(sawtooth generator)。PWM比較器根據誤差放大器(error amplifier)的輸齣和鋸齒波發生器的輸齣,為控製級提供占空比的開關控製矩形波。PFM比較器根據基準電壓VREF和采樣電路反饋的電壓,為控製級提供頻率調節參數。控製級根據調節模式引腳MODE的輸入信號,綜閤PFM比較器和PWM比較器的輸齣,生成頻率和占空比的開關控製信號。門驅動器負責驅動MOSFET開關,它帶有防止上拉管和下拉管同時導通而引起輸入端和地直通的功能(anti shoot�瞭hrough),可以保護MOSFET的正常工作。3) 基準電壓電路TPS62290內部的電壓基準電路(reference)産生0.6V的基準電壓,供PFM比較器和誤差放大器使用。4) 采樣電路TPS62290的采樣電路外置,采樣電壓通過反饋輸入端FB引入。5) 誤差放大器誤差放大器又稱比較放大電路,將FB引腳的輸入電壓和參考電壓進行比較和放大,為PWM比較器提供閾值電壓。該閾值電壓將影響開關控製信號的占空比D。6) LC濾波電路LC濾波電路外置,其中電感L跨接在開關引腳SW1和輸齣之間,電容C跨接在電感的另一端和地之間。7) 其他保護電路為瞭保證芯片安全穩定的工作,和綫性穩壓器芯片TPS79533類似,TPS62290內部設有各種保護電路。從圖3.17可以看齣,除瞭前麵提到的MOSFET過流保護電路之外,還有過熱保護電路(thermal shutdown)和壓鎖定電路(undervoltage lockout)。此外,圖3.17中還有一個模塊,即Softstart Vout Ramp Control。軟啓動也是一種保護。輸入電壓接入以後,輸齣電壓將從0V開始上升到額定值。這個上升的過程如果太快,即Vout的斜率太大,就會給負載帶來較大的衝擊電流。TPS62290內部的軟啓動電路保證輸齣電壓平穩上升,從而起到保護作用。3. TPS62290的性能指標TPS62290的主要性能指標數據如錶3.2所示。 錶3.2TPS62290性能指標數據 參 數 名 稱性 能 指 標測 試 條 件 輸入電壓範圍2.3~6V壓鎖定電路閾值1.85VVIN下降過程中測試EN/MODE端高電平>1V, 圖3.18TPS62290的主要特性麯綫 從圖3.18可以看齣,TPS62290的效率可高達90%; 在負載電流小於1A時,輸齣電壓穩定; 負載變化時瞬態響應快速。4. TPS62290的使用方法基於TPS62290芯片,外接必要的電感、電容和電阻,即可構成實用的Buck開關穩壓器應用電路。圖3.19為TPS62290的典型應用電路。輸齣電壓隨采樣電路的參數可調: VOUT=(1 R1/R2)×VREF 和綫性穩壓器應用電路類似,需要在輸入端並接一隻電容CIN,以便有效濾除輸入電壓中的高頻諧波成分。圖3.19中的輸入端電容的大小為10μF。為瞭保證電路的環路穩定性,同時平滑輸齣電壓,減小輸齣電壓紋波,需要在輸齣端也並接一隻電容COUT。圖3.19中的輸齣端電容的大小為10μF。 圖3.19TPS62290典型應用電路 除此以外,在電阻R1兩端並接一隻小的補償電容C1,以保證開關穩壓器的環路穩定性。圖3.19中的該電容的大小為22pF。3.4.2TPS615001. TPS61500概況 1) 基本特點數據手冊的開頭部分介紹瞭該開關穩壓器的主要特點如下: (1) 高效率的升壓轉換器; (2) 輸齣電流可達3A; (3) 輸齣電壓40V; (4) 寬輸入電壓範圍(2.9~18V); (5) 開關頻率可通過外部電阻編程設置(200kHz~2 MHz); (6) 適用於顯示器背光及LED供電。2) 外觀及引腳定義TPS61500提供HTSSOP封裝形式,該封裝的引腳排列如圖3.20所示,引腳功能定義如錶3.3所示。 圖3.20TPS61500引腳排列 錶3.3TPS61500引腳功能定義 引 腳 名 稱功能定義 VIN輸入電壓,2.9~18V。電感的一端接此引腳SW開關引腳,電感的另一端接此引腳FB反饋輸入端。在該引腳外接一隻電阻,對LED的電流進行編程EN芯片使能端,高電平使能,低電平關斷。當此引腳上的電平低於使能閾值電壓10ms後,芯片關斷P誤差放大器的輸齣端。可外接RC補償網絡,以改善環路穩定性SS軟啓動編程端。在此引腳接一隻電容可對軟啓動時間進行編程FREQ開關頻率編程端。通過一隻外接電阻對開關頻率進行設定續錶 引 腳 名 稱功能定義 AGND芯片的信號地PGND芯片的電源地,它和調整管的源極相連OVPLED驅動器的過壓保護。通過在該引腳外接一隻電阻,可對過壓保護的閾值進行編程; 缺省為1.229VDIMC模擬和PWM調光模式選擇端。懸空為PWM調光模式; 外接一隻電容則為模擬調光模式,並可對模擬調光的時間常數進行設置2. TPS61500的內部結構數據手冊中給齣瞭TPS61500的內部結構框圖,如圖3.21所示。 圖3.21TPS61500內部結構框圖 1) 調整管及保護電路和TPS62290不同,TPS61500內部隻有一隻MOSFET,它的源極接電源地PGND,相當於TPS62290內部下拉的PMOS管。續流的二極管則需要外接。2) 開關控製電路開關控製電路由PWM控製級(PWM control)和門驅動器(gate driver)組成。芯片內部有一個波形振蕩器(oscillator)。振蕩器的頻率可以通過開關頻率編程引腳FREQ外接的電阻R4進行編程。電阻阻值和開關頻率之間的對應關係如錶3.4所示。 錶3.4開關頻率的編程設定 R4/kΩfSW/kHz 443240256400176600801200512000如前所述,TPS62290的PWM控製級根據波形振蕩器和誤差放大器的輸齣,生成占空比的開關控製波形。在TPS61500內部,還存在電流反饋。從圖3.21可以看齣,芯片內部有一個電流傳感器(current sensor),它通過接在調整管的源極和地之間的小電阻進行電流采樣。由此,電流傳感器獲得對流過調整管(也就是電感儲能期間流過電感)的電流采樣。PWM控製級依據波形振蕩器的輸齣,在每個周期一開始控製開關導通,之後將電流傳感器的采樣值和誤差放大器的輸齣(流過電感的大的電流設定值)進行比較,如果采樣值大於設定值,則將開關關斷。這種模式稱為電流控製模式,而之前介紹的為電壓控製模式。電壓控製模式采用電壓反饋,可以穩定輸齣電壓。電流控製模式采用電流反饋,可以穩定輸齣電流。這也是TPS61500芯片適閤為需要恒流驅動的LED電路供電的原因。在電流控製模式中,為瞭保證電路的穩定工作,還需包含斜率補償電路[5],即圖3.21中的Ramp Generator。它輸齣的斜率補償信號和電流傳感器的輸齣信號疊加後,送到PWM控製級的輸入端。圖3.21中開關控製電路中的門驅動器負責驅動MOSFET開關。3) 基準電壓電路TPS62290內部的電壓基準電路産生0.2V和1.229V的兩個基準電壓。前者接至誤差放大器的同相輸入端,從而將接在FB引腳的反饋輸入電壓控製在200mV。該反饋輸入電壓是LED驅動器過壓保護電路的缺省過壓閾值。4) 采樣電路TPS61500的采樣電路外置,采樣電壓通過反饋輸入端FB引入。5) 誤差比較器誤差放大器將FB引腳的輸入電壓和參考電壓進行比較和放大,為PWM比較器提供閾值電流。該閾值電流將影響開關控製信號的占空比D。6) LC濾波電路LC濾波電路外置。其中電感L跨接在輸入電壓引腳VIN和開關引腳SW之間,電容C跨接在續流二極管的負極和電源地PGND之間。3. TPS61500的性能指標TPS61500的主要性能指標數據如錶3.5所示。 錶3.5TPS61500性能指標數據 參 數 名 稱性 能 指 標測 試 條 件 輸入電壓範圍2.9~18V壓鎖定電路閾值2.5VVIN下降過程中測試EN/MODE端高電平> 1.2V2.9V 圖3.22TPS61500主要特性麯綫 從圖3.22可以看齣,TPS61500在驅動一組4個LED時,效率可高達90%以上。在的溫度範圍內,FB引腳的電壓可穩定在200mV左右。4. TPS61500的典型應用電路基於TPS61500芯片,外接必要的電感、電容、電阻或二極管,即可構成實用的LED調光電路。 圖3.23為TPS61500的典型應用電路。 圖3.23TPS61500典型應用電路 在圖3.23中,TPS61500用於LED調光控製。DIMC引腳外接電容,錶示接成瞭模擬調光方式。圖中的電阻R1和R2對過壓保護電路的閾值進行編程,電阻 R3對LED驅動電路的電流進行編程,電阻R4對開關頻率進行編程。此外,和綫性穩壓器應用電路類似,需要在輸入端並接一隻電容C1,在輸齣端也並接一隻電容C2。3.5開關穩壓器的應用開關穩壓器的顯著特點是能量傳遞效率高。這是由於調整管工作在開關狀態,其上消耗的能量大大減少。開關穩壓器的效率一般可達80%。此外,開關穩壓器還具有穩壓範圍寬、穩壓精度高等優點。開關穩壓器的缺點是輸齣電壓有較大紋波。另外,由於應用電路中需要外接電感和電容,電路的整體體積比綫性穩壓器應用電路要大。自開關穩壓器齣現以來,已經在業界得到瞭越來越廣泛的應用。它適用於輸入電壓和輸齣電壓壓差大,對輸齣電壓紋波要求不高而對電源效率要求較高的場閤。目前,開關穩壓器已經在電子産品中得到廣泛的應用。開關穩壓器的種類紛繁復雜,比如按輸入電壓和輸齣電壓的關係來分,除瞭本章介紹的Buck穩壓器和Boost穩壓器之外,還有Buck�睟oost穩壓器。從開關控製方式來分,有PWM和PFM。從反饋控製方式來分,有電壓控製方式和電流控製方式。3.6動手實驗1. Buck開關穩壓器基本實現電路的研究 (1) 利用筆記本電腦電源適配器作為輸入源,根據開關穩壓器的基本實現電路結構,設計一個可以輸齣5V電壓的開關穩壓器。(2) 利用Multisim仿真工具對該開關穩壓器電路的各項性能進行仿真研究。(3) 搭建實驗電路,對所設計的開關穩壓器電路進行驗證和測試。2. 輸齣電壓可調的Buck開關穩壓器電路的設計和製作(1) 利用TPS62290,設計輸入電壓為5V,輸齣電壓為0.6~4.5V可調的Buck開關穩壓器電路。(2) 利用WEBENCH研究不同的外圍電路參數對電路性能指標的影響。(3) 完成電路的PCB製作,使電路的效率在85%以上。(4) 對不同輸齣電壓下的電路性能指標進行測試。 |
| 序言 | |
| 幾乎所有的電子産品的製作都離不開直流(DC)電源。在TI公司電源技術會議和TI 教育者年會上,許多高校的一綫教師共同就電源教學展開深入討論。很多老師認為目前電源方麵的教學存在缺失,開展相關的教材和課程建設是非常有必要的。在高等學校電子信息大類基礎課程教學中,模擬電子技術相關課程對直流電源的基本原理和相關概念進行瞭初步介紹; 之後,學生利用業界新的産品進行DC�睤C變換電路設計。這中間存在一條鴻溝。電源是電子技術中比較難的一個分支。通過和一些學生進行交流發現,大部分學生可以基本上理解模擬電子技術教材中關於直流電源的內容,但是去閱讀相關的電源産品手冊或電源方麵的專業書籍時卻看不懂。而之後學生在進行實際的電源電路製作時,往往隻是一知半解地照貓畫虎,照搬現成的設計,而不知其所以然。本書嘗試前承模擬電子技術課程中介紹的直流電源基礎知識,結閤TI公司的電源管理芯片和WEBENCH仿真工具,對DC�睤C變換電路的原理和應用進行入門性質的、深入淺齣的闡述。TI公司將電源方麵的教學支持列為2015年大學計劃的重點。本書既可作為電源類選修課程的教材,也可作為學生進行電源製作的入門讀物。電子設備對DC�睤C變換電路的一個基本需求是在輸入電壓有波動和輸齣端負載有變化的情況下,為其內部各模塊電路提供穩定的直流電源供電。本書分彆對綫性穩壓器和開關穩壓器電路及其工作原理進行介紹,並結閤WEBENCH設計工具介紹基於TI電源管理産品綫的選型和設計。後結閤作者的産品開發經曆介紹三個實際的應用實例,並對開關穩壓器電路的布局布綫進行介紹。全書共分為6章,每章後一部分設有動手實驗內容。章到第5章的內容由清華大學自動化係任艷頻編寫,第6章的內容由TI電源工程師編寫。清華大學自動化係2008級本科生塗光煒同學基於TI的電源管理芯片製作瞭大量實驗闆,並進行性能測試和比較。清華大學自動化係2011級本科生李奇、宮崎、劉金祥和龔遠峰同學閱讀瞭TI的多款電源管理産品數據手冊,並對WEBENCH仿真設計工具進行瞭試用。 各章內容簡要介紹如下: 章DC�睤C變換電路及其分類對DC�睤C變換電路的一個基本需求是在輸入電壓有波動和輸齣端負載有變化的情況下,為電子設備各模塊電路提供穩定的直流電源供電。衡量DC�睤C變換電路性能的主要指標包括穩壓係數或電源電壓調節率、輸齣電阻或負載調節率、輸齣紋波或電源紋波抑製比、環路穩定性、瞬態響應、效率等。在電源理論和應用的學習中,瞭解主要性能指標及其測試方法是非常重要的一環。目前主要使用兩大類DC�睤C變換電 |
這本書的實用價值遠超同類入門書籍,它成功地搭建起瞭理論與工程之間的橋梁,這是我非常看重的一點。它並沒有將應用部分束之高閣,而是將設計流程的每一步都融入到瞭講解之中。比如,在介紹濾波器的設計時,它不僅給齣瞭計算公式,還討論瞭元件選型時,電感飽和電流、電容ESR/ESL對實際性能的影響,這些都是教科書裏常常忽略但卻是實際設計中決定成敗的關鍵因素。更讓我驚喜的是,書中穿插瞭一些“設計陷阱”的分析,提醒讀者在實際調試中可能遇到的問題,比如環路穩定性分析中的相位裕度和增益裕度,作者給齣的判斷標準非常實用,甚至可以作為我未來項目自檢的清單。這種前瞻性的指導,極大地減少瞭初學者在實際動手時走彎路的幾率。這本書更像是一個經驗豐富的工程師手把手帶徒弟的過程,處處透露著“實戰齣真知”的理念。
評分從內容的前瞻性和廣度來看,這本書也展現瞭超越入門級彆的視野。雖然定位是“入門”,但它在最後幾章對前沿技術的介紹,特彆是關於同步整流(SR)技術在降低導通損耗中的作用,以及一些新型拓撲結構(如準諧振或反激式在特定場景下的應用)的初步探討,為我後續的進階學習指明瞭方嚮。作者沒有把這些高深的內容寫得高不可攀,而是用清晰的邏輯將它們與已學的基本原理聯係起來,展示瞭如何通過優化現有結構來提升整體效率和功率密度。這種由基礎到前沿的過渡處理得非常自然,讓人感覺學習麯綫是平滑且持續上升的。這本書的價值在於,它不僅教會瞭我如何“做”一個DC-DC電路,更重要的是,它培養瞭我“思考”如何做得更好的能力,去探索效率極限、成本優化和可靠性提升的多種可能性。因此,我認為它不僅是學習電路原理的絕佳起點,也是一本可以時常翻閱以鞏固工程直覺的工具書。
評分閱讀體驗方麵,這本書的排版和圖文質量達到瞭專業級彆的水準。綫框圖和波形圖都非常清晰銳利,關鍵參數的標注一目瞭然,這對於分析電路在不同工作模式下的動態特性至關重要。我發現書中很多示意圖都是專門繪製的,而不是簡單地套用標準模闆,這體現瞭作者對細節的極緻追求。比如,在講解開關管開關損耗時,它提供的那些動態Vce(或Vds)波形圖,將米勒平颱效應和開關時間的影響刻畫得非常到位,對於理解高頻開關帶來的挑戰非常有幫助。此外,本書在注釋和腳注方麵也做得相當到位,每當齣現一個稍微專業一點的術語或一個需要深入瞭解的背景知識時,總能在頁腳找到簡短而精準的解釋,這避免瞭讀者頻繁中斷閱讀去查閱其他資料的麻煩。這種細節上的關懷,讓長時間的閱讀過程變得異常流暢和舒適。它給我的感覺是,作者不僅精通技術,更懂得如何有效地“教”技術給彆人。
評分這本教材的章節編排邏輯嚴謹得令人稱贊,它遵循瞭由淺入深的經典學習路徑,但又巧妙地融入瞭現代工程實踐的需求。特彆是關於控製策略的部分,很多教材往往隻是簡單提及,但本書卻花費瞭大量篇幅去詳細解析電流型和電壓型控製的差異,以及如何通過反饋迴路實現穩定的輸齣。我印象最深的是它對PWM調製技術的講解,不僅僅停留在理論層麵,還結閤瞭數字信號處理的視角,讓我對如何用微控製器(MCU)實現精確控製有瞭更直觀的認識。書中的例題設計得極其巧妙,它們大多取材於實際的電源管理應用,比如移動設備的功耗優化、LED驅動的恒流控製等,這使得書本上的知識點立刻“活”瞭起來,不再是紙上談兵。而且,作者在解析不同拓撲結構(比如降壓-升壓型)的優缺點時,會用錶格的形式進行對比分析,這種結構化的信息呈現方式,非常便於我們快速進行方案選型和權衡,極大地提高瞭我的工程思維能力。對於一個想從理論轉嚮實戰的讀者來說,這種務實的講解方式是極其寶貴的財富。
評分這本書的封麵設計簡潔大氣,封皮的質感也相當不錯,拿到手裏就能感受到齣版社的用心。我本來對電力電子這塊兒就挺感興趣,但總覺得理論知識有點枯燥,直到翻開這本書,纔發現原來學習這些枯燥的原理也可以這麼有趣。作者在引言部分就非常清晰地勾勒齣瞭DC-DC變換器的發展脈絡和重要性,讓我立刻對接下來的內容充滿瞭期待。尤其是它對基本拓撲結構的梳理,不是那種冷冰冰的公式堆砌,而是用非常生動的比喻和圖示來輔助理解,即便是初學者也能很快抓住核心概念。書中對Buck、Boost這些經典電路的講解,更是深入淺齣,從開關管的導通和關斷過程,到電感和電容的儲能放能細節,描述得淋灕盡緻,完全沒有那種晦澀難懂的感覺。我特彆欣賞它在引入新概念時,總是會先設定一個實際的應用場景,這樣學習起來就有瞭明確的目標感,而不是為瞭公式而學習公式,這種以問題為導嚮的教學方式,極大提升瞭我的學習積極性。總的來說,這本書的入門體驗非常棒,為後續深入學習打下瞭堅實的基礎。
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