我是“余生死磕电源,致力于成为电源大师”的“电源先生”。
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目录
本书使用的单位、符号和缩词4
非隔离降压型开关电源的知识图谱7
1.2 开关电源的基本拓扑是哪三种?为什么只有三种?28
1.3 什么是开关电源控制器和开关电源转换器?29
1.4 什么是隔离开关电源和非隔离开关电源?30
1.5 什么是负载点(POL, Point-Of-Load)电源?30
1.6 开关电源的类型总结31
1.7 什么是尺度平移方法?33
1.7.1 小尺度与大尺度33
1.7.2 尺度平移方法34
1.7.3 动能公式、电能公式和磁能公式35
1.7 温故知新之电感和电容的基础知识37
1.7.1 理解开关电源中的储能电容和功率电感37
1.7.2 储能电容37
1.7.2.1 电容?电容器?电容量?38
1.7.2.x 温度特性38
1.7.2.x 直流偏压特性38
1.7.2.x 什么是等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)?38
1.7.2.x 什么是等效串联电感(Equivalent Series Inductance, ESL)?39
1.7.3 功率电感39
1.7.3.1 什么是电感?39
1.7.3.2 电感的铁芯材料有哪些?铁芯形状有哪些?封装结构有哪些?40
1.7.3.3 什么是电感磁饱和?43
1.7.3.4 什么是温升电流、RMS电流、饱和电流、额定电流?45
1.7.3.5 什么是直流电阻(DC Resistance, DCR)?48
1.7.3.6 什么是交流电阻(AC Resistance, ACR)?48
1.7.3.7 什么是自谐振频率(Self-Resonant Frequency, SRF)?48
1.7.3.8 功率电感有耐压值这个参数?50
1.7.3.9 功率电感的损耗50
1.7.3.10 功率电感的选型50
1.7.3.11 功率电感元件示例50
2.1 降压电路的工作原理55
2.1.1 为什么需要降压拓扑?55
2.1.1.1 在降压电路被发明应用之前,将较高电压转换为较低电压用什么方法?55
2.1.1.2 为什么需要BUCK降压电路?或者说,降压电路被发明是要解决什么问题?57
2.1.2 工作原理简述64
2.2 什么是非同步(异步)整流和同步整流?67
2.2.1 非同步降压控制器68
2.2.1.1 高边开关使用P-MOSFET的非同步降压控制器68
2.2.1.2 高边开关使用N-MOSFET的非同步降压控制器70
2.2.1 同步降压控制器71
2.2.1.1 高边开关使用P-MOSFET的同步降压控制器71
2.2.1.2 高边开关使用N-MOSFET的同步降压控制器72
2.2.3 非同步降压转换器73
2.2.3.1 高边开关使用三极管的非同步降压转换器73
2.2.3.2 高边开关使用P-MOSFET 的非同步降压转换器75
2.2.3.3 高边开关使用N-MOSFET 的非同步降压转换器77
2.2.4 同步降压转换器78
2.2.4.1 高边开关使用P-MOSFET 的同步降压转换器78
2.2.4.2 高边开关使用N-MOSFET 的同步降压转换器80
2.2.4.3 低边开关使用N-MOSFET 的同步降压转换器81
2.3 降压电路的导通模式有哪些?82
2.3.1 连续导通模式 CCM84
2.3.3 临界导通模式 BCM85
2.3.4 断续导通模式 DCM85
2.3.2 强迫连续模式 FCCM87
2.4 降压电路的工作模式有哪些?88
2.4.1 脉冲宽度调制 PWM88
2.4.2 脉冲频率调制 PFM89
2.4.3 脉冲跨周期调制 PSM90
2.4.4 自动模式 Auto Mode91
2.5 降压电路的控制模式有哪些?91
2.5.1 电压模式控制 Voltage-Mode Control92
2.5.2 电流模式控制 Current-Mode Control94
2.5.3 迟滞控制 Hysteretic Control99
2.5.4 恒定导通时间控制 Constant On-Time Control100
2.5.5 自适应导通时间控制 Adaptive On-Time Control105
2.5.7 无缝转换的直接控制 DCS-Control106
2.6 开关电源的电流检测技术有哪些?107
2.6.1 精密电阻检流108
2.6.1.1 精密电阻检流的原理?108
2.6.1.2 检流电阻该放置在哪里?109
2.6.2 功率电感的直流电阻(DCR)检流111
2.6.2.1 功率电感DCR检流的原理?112
2.6.2.2 如何设置DCR检流电路的限流阈值?113
2.6.2.3 如何优化DCR检流电路的噪声抑制能力?115
2.6.2.4 如何提升DCR检流电路的一致性?116
2.6.2.5 为何需要DCR检流温度补偿网络?116
2.6.2.6 DCR检流电路应用实例117
2.6.3 MOSFET RDS(ON)检流119
2.6.4 检流电路应用实例120
2.7 开关电源的开关管驱动技术有哪些?120
3.1 基本概念121
3.2.1 什么是平均值和有效值?121
3.1.1 什么是对偶原理?124
3.1.2 什么是电感伏秒平衡?124
3.1.3 什么是电容安秒平衡?127
3.1.4 降压电路的直流增益和直流传递函数127
3.1.4.1 CCM模式的直流增益和直流传递函数127
3.1.4.2 DCM模式的直流增益和直流传递函数131
3.1.4.3 CCM模式与DCM模式的“关键条件”135
3.1.4.4 CCM模式与DCM模式的对比138
3.1.5 降压电路的占空比138
3.1.5.1 CCM模式下的占空比139
3.1.5.2 DCM模式下的占空比141
问题3.1.1-1:占空比与输入电压或输出电压的正比或反比关系?141
问题3.1.1-2:占空比与负载电流的变化是否有正比或反比关系呢?141
问题3.1.1-3:降压电路的占空比最小值和最大值的限制因素是什么?142
问题3.1.1-4:降压电路的占空比是否可以等于100%?143
问题3.1.1-5:占空比D与CCM、DCM模式的关系?144
3.1.6 降压电路的开关频率146
3.1.6.1 开关周期146
3.1.6.2 开关频率147
问题:开关频率大小的限制因素是什么?149
3.1.5 什么是死区时间Dead Time?149
3.2 降压电路中的电压151
3.2.1 什么是纹波和噪声?152
3.2.2 降压电路中有哪些电压参数?153
问题3.2.2-1:降压电路输出电压最小值和最大值的限制因素是什么?157
问题3.2.2-2:降压电路输入电压最小值和最大值的限制因素是什么?160
问题3.2.2-3:降压电路的最恶劣工况是什么?163
3.2.3 降压电路的输入纹波电压163
3.2.4 降压电路的输出纹波电压170
3.2.5 降压电路的开关节点电压181
3.2.6 降压电路的电压应力总结182
3.3 降压电路中的电流183
3.2.2 开关电源有哪些电流参数?186
3.2.3 电流纹波系数190
3.2.3.1 电流纹波系数的定义190
3.2.3.2 电流纹波系数 与感值 的关系?190
3.2.3.3 电流纹波系数 与CCM、BCM和DCM三种模式的关系?191
3.2.3.4 电流纹波系数 在 之间取值是否有最优值?192
3.2.4 电感的纹波电流194
3.2.4.1 纹波电流理论值194
3.2.4.2 纹波电流实际值195
3.2.4.3 纹波电流瞬时值198
3.2.4.4 纹波电流的波形200
3.2.5 电感的交流电流200
3.2.6 电感的瞬时电流200
3.2.7 电感的平均电流202
3.2.8 电感的有效电流204
3.2.9 电感上的峰值电流209
3.2.13 高边开关管的瞬时电流、平均电流和有效电流211
3.2.13.1 高边开关管上的瞬时电流211
3.2.13.2 高边开关管上的平均电流211
3.2.13.3 高边开关管上的有效电流213
3.2.14 低边开关管或续流二极管的瞬时电流、平均电流和有效电流214
3.2.14.1 低边开关管或续流二极管上的瞬时电流214
3.2.14.2 低边开关管或续流二极管上的平均电流214
3.2.14.3 低边开关管或续流二极管上的有效电流215
3.2.11 输入电容的瞬时电流、平均电流和有效电流215
3.2.11.1 输入电容的瞬时电流216
3.2.11.2 输入电容的平均电流218
3.2.11.3 输入电容的有效电流219
问题3.2.11-1:输入电容均方根电流的最大值是多少?该最大值的指导意义是什么?223
3.2.12 输出电容的瞬时电流、平均电流和有效电流225
3.2.12.1 输出电容的瞬时电流225
3.2.12.2 输出电容的平均电流225
3.2.12.3 输出电容的有效电流227
3.2.10 输入端和输出端的平均电流227
问题3.2.10-1:理论上输入电流的最小值是多少?229
3.2.15 降压电路的电流应力总结229
3.4 降压电路的功率、损耗和效率231
3.4.1 输入功率、输出功率、损耗功率和效率231
3.4.2 电感上的功率损耗233
3.4.2.1 直流电阻损耗(DC Resistance Loss)233
3.4.2.2 交流电阻损耗(AC Resistance Loss)234
3.9.4 开关管上的功率损耗235
3.9.4.1 导通损耗236
3.9.4.2 截止损耗243
3.9.4.3 开关损耗244
3.9.4.4 死区时间损耗252
3.9.4.5 体二极管反向恢复损耗254
3.9.4.6 输出电容损耗255
3.9.4.7 栅极驱动损耗256
3.9.5 续流二极管上的功率损耗264
3.9.2 输入电容上的功率损耗265
3.9.3 输出电容上的功率损耗265
3.9.7 器件工作损耗265
3.9.8 非同步与同步降压电路的功率损耗计算案例266
3.9.9 小结269
3.5 降压电路电感值的计算公式270
4.1 如何理解动态响应273
4.2273
5.1 降压电路的设计流程275
5.2 确定设计需求278
5.3 降压芯片选型280
5.4 输出电压设置 Output Voltage Setting284
5.2.1 反馈电阻取值方法284
5.2.2 反馈电阻取值大小的影响286
5.2.1.1 影响待机功耗286
5.2.1.2 影响输出电压精度287
5.2.1.3 影响反馈环路稳定性290
5.2.2 反馈电阻取值实例TPS54561DPRT291
5.2.3 如何得到最小输出电压(实例TPS54561DPRT)?293
5.2.3 如何实现比基准更低的输出电压?294
5.2.4 前馈电容的原理、作用与取值?294
5.2.5 什么是近端反馈和远端反馈(Remote Sensing Feedback)?295
5.2.6 什么是DVS、AVS和DVFS?295
5.5 开关频率配置296
5.3.1 配置开关频率的注意事项?或什么是折返频率?296
5.3.1 配置开关频率的方法?296
5.3.1.1 LM5088MHX-2/NOPB器件的开关频率配置方法296
5.3.1.2 TPS54561DPRT器件的开关频率配置方法298
5.3.1.3 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的开关频率配置方法298
5.3.1.4 ADP3020ARU器件的开关频率配置方法300
5.3.1.5 小结302
5.3.2 何时需要调节开关频率的大小?302
5.6 功率电感的选型303
5.4.1 功率电感额定/饱和电流取值的依据是什么?304
5.4.2 功率电感值选择的依据304
5.4.3 功率电感的选型步骤305
5.4.4 功率电感的选型实例306
5.7 高边开关和低边开关的选型307
5.7.1 功率MOSFET的选型307
5.7.2 续流二极管的选型308
5.8 输出电容的选型310
5.8.1 输出电容的作用310
5.8.2 输出电容ESR带来的不良影响311
5.8.3 输出电容取值的考量因素311
5.8.4 输出电容的选型步骤311
5.8.5 输出电容选型的其他要求313
5.8.6 输出电容的选型实例313
5.9 输入电容的选型313
5.7.1 输入电容取值的考量因素315
5.10 自举电路(Bootstrap Circuit)315
5.10.1 开关电源为何需要自举电路?316
5.10.2 二极管&电容自举的原理317
5.10.3 二极管&电容自举电路中的电流和电压324
5.10.3.1 自举电容在TON时间的放电电流大小324
5.10.3.2 自举电容在TOFF时间的充电电流大小324
5.10.3.3 自举电路在TOFF时间的充电电流大小325
5.10.3.4 自举电路消耗的平均电流大小325
5.10.4 自举电容(Bootstrap Capacitor)的选型326
5.10.4.1 如何确定自举电容的耐压值?326
5.10.4.2 如何确定自举电容的取值范围?326
5.10.4 自举二极管(Bootstrap Diode)的选型336
5.10.6 自举电阻(Bootstrap Resistor)337
5.10.6.1 为何使用自举电阻?337
5.10.6.2 如何取值自举电阻?337
5.10.6.3 自举电阻上的电压跌落338
5.10.6.4 自举电阻对转换效率的影响342
5.10.7 何时及如何使用外部偏置电源?343
5.11 软启动与浪涌电流抑制345
5.11.1 什么是软启动?软启动时间?启动时间?345
5.11.2 什么是浪涌电流?349
5.11.3 如何配置软启动时间的大小?351
5.11.4 何时需要更长的软启动时间?354
5.11.4.1 输出电容增加且浪涌电流保持不变354
5.11.4.2 降低电源电路启动时的浪涌电流354
5.11.4.3 输出电压非单调上升356
5.11.5 如何延长软启动时间?如何抑制浪涌电流?358
5.11.5.1 基于单颗P-MOSFET实现输入端浪涌电流抑制359
5.11.5.2 基于分立Loadswitch实现输入端浪涌电流抑制360
5.11.5.3 基于Loadswitch IC实现输入端浪涌电流抑制362
5.11.5.4 基于集成方案的输入端浪涌电流抑制功能362
5.11.5.5 基于SS引脚的软启动时间配置实例TPS54561DPRT363
5.11.5.6 基于EN引脚的软启动时间配置实例LM5116MH/NOPB364
5.11.5.7 基于FB引脚的软启动时间配置实例TPS54561DPRT364
5.11.5.8 基于分立Loadswitch的软启动时间配置实例TPS54561DPRT365
5.11.5.9 基于Loadswitch IC的软启动时间配置实例 TPS54561DPRT366
5.12 使能引脚的应用366
5.12.1 关注使能引脚的耐压范围366
5.12.2 硬件使能366
5.12.3 UVLO阈值设置368
问题:“图5.2.1.2 TPS54561DPRT参考电路原理图”支持的UVLO开始输入电压最小值是多少?371
5.12.4 基于EN引脚实现受控使能/非能371
5.12.5 基于SS引脚实现受控使能/非能373
5.12.6 受控使能/非能和UVLO阈值设置373
5.13 电源工作正常的指示信号374
5.14 EN/SS/PWRGD实现多电源时序和跟踪375
5.14.1 使用EN引脚和被动器件实现电源时序功能375
5.14.2 使用EN引脚和PWRGD引脚实现电源时序功能376
5.14.3 使用EN引脚和SS/TR引脚实现两个电源的启动时间相同376
5.14.4 使用EN引脚和SS/TR引脚实现电源跟踪功能377
5.15 PCB Layout设计378
5.15.1 CISPR 22: EMC标准简介378
5.15.1 降压电路PCB Layout设计常用规则378
5.15.1.1 Feedback反馈走线的版图设计379
5.15.2 如何减少降压电路中的EMI?380
5.15.2.1 原理设计方法:在自举电容Cboot上串联自举电阻Rboot380
5.15.2.2 原理设计方法:在高边开关管的栅极串联电阻Rgate381
5.15.2.3 原理设计方法:在PH节点上增加RC Snubber电路381
5.15.2.4 原理设计方法:在输入端串联RL Snubber电路381
5.15.2.5 版图设计方法:减小“交变电流环路”的面积382
5.16 TPS54561DPRT非同步降压转换器典型应用电路383
5.16.1 应用实例1:12V输入到5V/5A输出的降压电路384
5.16.1.1 输出电压设置384
5.16.1.2 开关频率配置385
5.16.1.3 功率电感选型386
5.16.1.4 续流二极管的选型388
5.16.1.5 输出电容的选型389
5.16.1.6 输入电容的选型393
5.16.1.7 自举电容和自举二极管的选型395
5.16.1.8 软启动电容的选型395
5.16.1.9 使能信号397
5.16.1.10 UVLO阈值配置398
5.16.1.11 误差放大器补偿406
5.16.1.12 功率损耗估算406
5.16.1.13 不连续导通模式和省电模式的边界408
5.16.1.14 波形测量结果408
5.16.2 应用实例2:12V输入到0.8V输出的降压电路409
5.16.3 应用实例3:从正向输入到正负输出的分轨电源电路409
5.17 LM5116MH/NOPB同步降压控制器电路应用实例409
5.17.1 LM5116MH/NOPB内部原理框图和关键特性409
5.17.2 LM5116MH/NOPB典型应用电路的设计需求413
5.17.3 LM5116MH/NOPB典型应用电路的设计步骤414
5.17.3.1 输出电压设置414
5.17.3.2 开关频率配置414
5.17.3.3 功率电感的选型415
5.17.3.4 功率MOSFET的选型416
5.17.3.5 输出电容的选型417
5.17.3.6 输入电容的选型419
5.17.3.7 自举电容和自举二极管的选型421
5.17.3.8 软启动电容的选型422
5.17.3.9 使能信号423
5.17.3.10 UVLO阈值配置424
5.17.3.11 误差放大器补偿425
5.17.3.12 检流电阻配置425
5.17.3.13 RAMP电容配置427
5.17.3.14 功率损耗估算427
5.17.3.15 PCB布局布线429
5.17.3.16 波形测量结果430
5.18 LM5161PWPR同步降压转换器典型应用电路430
5.18.1 LM5161PWPR内部原理框图和关键特性430
5.18.2 LM5161PWPR典型应用电路的设计需求432
5.18.3 LM5161PWPR典型应用电路的设计步骤433
5.18.3.1 输出电压设置433
5.18.3.2 开关频率配置433
5.18.3.3 功率电感的选型434
5.18.3.4 功率开关的选型435
5.18.3.5 输出电容的选型435
5.18.3.6 输入电容的选型437
5.18.3.7 自举电容和自举二极管的选型438
5.18.3.8 软启动电容的选型438
5.18.3.9 使能信号439
5.18.3.10 UVLO阈值配置440
5.18.3.11 纹波注入电路*440
5.18.3.12 功率损耗估算441
5.18.3.13 PCB布局布线442
5.19 LM25149RGYR同步降压控制器典型应用电路1444
5.19.1 LM25149RGYR内部原理框图和关键特性444
5.19.2 LM25149RGYR典型应用电路的设计需求445
5.19.3 LM25149RGYR典型应用电路的设计步骤446
5.19.3.1 输出电压设置446
5.19.3.2 开关频率配置447
5.19.3.3 功率电感的选型448
5.19.3.4 功率MOSFET的选型448
5.19.3.5 输出电容的选型449
5.19.3.6 输入电容的选型451
5.18.3.7 自举电容和自举二极管的选型451
5.19.3.8 软启动(待续)452
5.19.3.9 使能信号453
5.19.3.10 误差放大器补偿(待续)454
5.19.3.11 检流电阻配置454
5.19.3.12 有源滤波电路(待续)456
5.19.3.13 功率损耗估算456
5.20 LM25149RGYR同步降压控制器典型应用电路2458
5.20.1 LM25149RGYR典型应用电路的设计需求458
5.20.2 LM25149RGYR典型应用电路的设计步骤459
5.20.2.1 输出电压设置459
5.20.2.2 开关频率配置459
5.20.2.3 功率电感的选型459
5.20.2.4 功率MOSFET的选型460
5.20.2.5 输出电容的选型460
5.20.2.6 输入电容的选型463
5.20.2.7 自举电容和自举二极管的选型464
5.20.2.8 软启动(待续)464
5.20.2.9 使能信号464
5.20.2.10 误差放大器补偿(待续)464
5.20.2.11 检流电阻配置464
5.20.2.12 有源滤波电路(待续)464
5.20.2.13 功率损耗估算465
5.21 LTC3311JV#PBF多相降压的典型应用电路(两相并联)467
5.21.1 LTC3311JV#PBF内部原理框图和关键特性467
5.21.2 LTC3311JV#PBF典型应用电路的设计需求468
5.21.3 LTC3311JV#PBF典型应用电路的设计步骤469
5.21.3.1 输出电压设置469
5.21.3.2 开关频率配置469
5.21.3.3 功率电感的选型470
5.21.3.4 功率开关的选型470
5.21.3.5 输出电容的选型470
5.21.3.6 输入电容的选型472
5.21.3.7 自举电容和自举二极管的选型473
5.21.3.8 软启动电容的选型474
5.21.3.9 使能信号474
5.21.3.10 误差放大器补偿(待续)475
5.21.3.11 工作模式/频率同步/多相并联475
5.20 降压电路的常见错误及解决方法477
5.20.1 为何电源电路无法正常启动(1)?478
5.20.2 为何电源电路无法正常启动(2)?479
5.20.2.1 不良现象479
5.20.2.2 解决对策482
陶瓷电容器啸叫的原因与对策484
功率电感器啸叫的原因与对策484
6.1 开关电源电路有哪些评价指标?488
6.1.1 输出电压精度是否合规?488
6.1.2 输出纹波电压是否合规?491
6.1.3 线性调整率是否合规?如何测量?495
6.1.4 输出电压是否单调上升?如何测量?496
6.1.5 启动时间是否合规?如何测量?497
6.1.6 保持时间是否合规?如何测量?499
6.1.7 死区时间是否合规?如何测量?499
6.1.8 浪涌电流是否合规?如何测量?499
6.1.13 环路是否稳定?499
6.1.14 转换效率是否达标?测量方法?499
6.1.8 负载调整率是否满足设计需求?如何测量?500
6.1.3 开关节点是否有较大的开关噪声?501
6.1.3.1 开关噪声产生的原理?502
6.1.3.2 开关噪声抑制的方法?502
6.1.4 开关节点是否有较大的振铃?如何测量?如何改善?503
6.1.5 功率电感是否有较大的纹波电流?如何测量?503
6.1.6 功率电感是否有磁饱和的风险?如何判断功率电感是否发生了磁饱和现象?505
6.1.6.1 计算最大电感电流506
6.1.6.2 测量电感电流波形508
6.1.6.3 其他初步判断方法509
6.2 开关电源的辅助电路有哪些?509
6.2.1 过流保护功能OCP及测试方法510
6.2.2 短路保护功能SCP及测试方法512
6.2.3 欠压保护功能UVP及测试方法513
6.2.4 过压保护功能OVP及测试方法513
6.2.5 热关断TSD/OTP及测试方法513
6.2.6 输出放电功能 Output Discharge Function515
6.2.7 预偏置启动和输出预偏置保护515
6.2.8 尖峰电压抑制 Spike Voltage Suppression516
6.2.9 双电源供电电路516
如何解决双电源供电中的电流倒灌问题?517
6.3 如何测量输出端纹波和噪声?518
6.4 如何测量降压电路的动态响应?522
6.5 如何测量降压电路的转换效率?522
附1 参考资料526
附2 内容声明526
附3 版本记录526