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2022-07-14

降壓式電路概念(電路設計)

主題Buck Part 2 – Power Stage 電路設計
零件選用符合電氣特性、可靠度、成本與交期。個別小方塊電路描述如下:

Buck控制 IC:非隔離降壓式直流電源轉換,並且透過迴授機制調整穩定輸出電壓。

輸入濾波器:包含輸入電感與輸入電容,抑除輸入電壓端的雜訊。
        輸入電感 (LIN):隔離每組Buck線路,抑制該組切換雜訊進入輸入電壓,非必要性零件。
        輸入電容 (CIN):Buck輸入紋波電流大於輸出紋波電流,注意輸入電容耐紋波能力、溫升、可
                                靠度 (壽命)。
 
開關功率晶體:透過開關控制對輸出電感儲能、釋能以調制輸出電壓。
        上行功率晶體 (Upper MOS):導通則對輸出電感儲能,此段時間比例稱為Duty (D)。
        下行功率晶體 (Lower MOS):導通則提供一個路徑,讓輸出電感釋能,此段時間比例稱為 (1-D)。
        Dead Time 蕭特基二極體:為了避免上行及下行功率晶體同時導通Shoot-Through,會有一小段時間上下同時不導通(Dead Time),在Dead Time輸出電感釋能路徑走與Lower MOS並聯的Schottky (VF = 0.2 ~ 0.4V),降低走Lower MOS Body Diode(VF = ≒ 1 V)的Loss。
 
      汲級源極導通阻抗 (RDS,ON):提供電流偵測選擇之一,但注意此參數隨著溫度變化大。
 
抑制切換雜訊及EMI:
Gate R:控制Upper & Lower MOS的驅動能力,使MOS效率與EMI找到平衡點。
Snubber RC:Snubber C吸收Spike,再透過 Sunbber R 消耗Spike能量。
 
輸出濾波器:包含輸出電感與輸出電容,除了控制紋波電流及電壓外,須注意在電壓迴授控制模式下,輸出濾波器會產生Double Pole,造成不穩定。詳情請參考 Buck Part4電路穩定補償。
        輸出電感(LOUT):透過Upper & Lower MOS開關做儲能及釋能,而過程會衍生輸出紋波電流。電感量越大,遏制輸出紋波電流(IOUT,RIPPLE)能力越強,相對可以降低輸出紋波電壓(VOUT,RIPPLE)。但電感量過大,抗電流變化能力越強,有可能造成因應轉態(Transient) 能力變差。
        輸出電感直流阻抗 (DCR) 電流偵測:提供電流偵測選擇之一,相對誤差比RDS,ON小。
        輸出電容(COUT):輸出電容串聯阻抗(ESR)越小,可以降低輸出紋波電壓。而串聯阻抗越大,則對穩定有幫忙。另外輸出電容ESR & ESL (串聯等效電感) 也會影響轉態輸出電壓 (Vtransient)的Drop深度。輸出電容量越大,對轉態也有所幫忙。
 
穩定電路補償
        包含Type 2 or 3 Compensation。詳情請參考 (Buck Part4電路穩定補償) 。
 
電氣特性品質指標
VOUT,RIPPLE (輸出紋波電壓):與切換頻率、輸出電感量、輸出電容量、輸出電容串聯等效電阻、輸出電容串聯等效電感有關,當使用有極性電容,例如鋁捲繞電解電容,因為ESR的影響程度較大,固可忽略電容量及ESL的影響,假設使用MLCC,則須同時考慮C, ESR & ESL。
 
Vout,TRANSIENT (轉態輸出電壓):與迴授頻寬(BW) & 增益(Gain)、輸出電容量、輸出電容量 & ESR & ESL、輸出電感量有關。