DC-DC开关电源基础知识
开关电源DCDC基本知识
II I IL 1 Id 1 D 1
L
d
0
I0
I0
2.输入电流脉动
输入电流增量:
UdDTI I
L
d
L
d
输入电感电流的最大值:
Id
mId
1 2IL
Id
UdDT 2Ld
由无耗性可知: U dId U 0I0,Id U U d 0I0D D 0I0D D 0U R 0 0
Id
mU0(DD 0R0
D0T) 2Ld
开关电源DCDC基本知识
27
3.输出电压的脉动值 当VTon,VD off时,电容C0放电维持输出电压
U 0
D
AV
Uo U
d
VU
当D改变,U0改变 d
U DU
0
d
输出电压平均值 输入电压平均值 (10)
4.输入电流平均值Id
输出电压
P d Id U d U 0 I0
I0
1 D
Id
输入功率 电流
输出电流
开关电源DCDC基本知识
10
5.输出电压纹波分析
当 C0 ,U0con ,但sCto 为有限值
iL iCI0 负载电流
当 t[DT,T]时,T截止,D续流,U0靠C0放电和L0中电流下降维持
三.假设: 1.T,D均为理想器件 2.L0较大,使得在一个周期内电流连续且无内阻 3.直流输出电压U0为恒定 4.整个电路无功耗 5.电路已达稳态
开关电源DCDC基本知识
6
四.电路各点的波形
开关电源DCDC基本知识
7
五.电路分析
iL increase,the equivalent circuit
DC-DC基础知识
8
总结
• 电荷泵稳压器介绍 • 倍压电路的工作原理和增益配置 • 电荷泵稳压实现
9
DC-DC 基础知识
1.4 电荷泵稳压器
什么是电荷泵稳压器？
• 电荷泵稳压器是一种只通过电容器的交替式充电和 放电来输送功率的开关稳压器。 • 它适合于具有低负载电流及中等输入 – 输出电压差 的应用
Q 1 +
CF
Q 3 Q 4
VIN
Q 2
VCF +
Io
+
Co
LOAD
Vo 2
优缺点
优点
缺点
• • • •
针对所有增益的相同公共 相位连接 *假设 C1=C2
6
电荷泵稳压
• 通过增设一个后置稳压器级，充电泵将能够实现精细的输出 电压
• 而且，还可以控制 开关阻抗以使其实 际上起一个后置稳 压器的作用
– Rout 是有效输出阻 抗，包括开关阻抗 (Rsw) 及开关电容器 阻抗 1/(2Pi*Fsw*Cf) – 通过控制 Fsw 或 Rsw 可完成输出电压 的精细调节
– S1、S3 导通，S2、S4 断开，充电 – S1、S3 断开，S2、S4 导通，放电
• 通过反转输出至地的连接，单位增益变换器将变为负增 益反相器
单位增益反相增益4来自电压倍增器(倍压电路）
• 下面所示的电压倍增器电路在拓扑中仍然具有单个电容 器，只是连接有所不同 • 4 个开关的切换依然不变
– S1、S3 导通，S2、S4 断开，增益相位 – S1、S3 断开，S2、S4 导通，公共相位
7
电荷泵稳压
• 控制频率：脉冲-频率调制 (PFM)
– 通过跳过不需要的脉冲以保持输出 电压的恒定 – 优点：非常低的静态电流、较高的效 率 – 缺点：较高的输出电压纹波、频率发 生变化
DCDC电源基础必学知识点
DCDC电源基础必学知识点1. DCDC电源的原理：DCDC电源是一种将一个直流电源转换为另一个直流电源的电子电源。
它通过电子元件（如电感、电容和开关管等）控制电源输入电压的幅值和波形，从而实现电源输出电压的稳压、降压或升压。
2. DCDC电源的分类：根据输入输出电压的关系，DCDC电源可以分为升压电源、降压电源和升降压电源三类；根据转换方式，可以分为线性式DCDC电源和开关式DCDC电源两类。
3. DCDC电源的主要应用领域：DCDC电源广泛应用于电子产品、通信设备、工业自动化、汽车电子、航空航天等领域，用于提供稳定的直流电压给各种电子设备。
4. DCDC电源的工作原理：无论是线性式还是开关式DCDC电源，其基本工作原理都是通过控制开关元件（如开关管）的开关状态和频率，改变电源输入电压的幅值和波形，从而实现稳压和升降压。
5. DCDC电源的关键参数：DCDC电源的关键参数包括输入电压范围、输出电压范围、输出电流、效率、稳定性、噪声等。
6. DCDC电源的设计考虑因素：DCDC电源设计需要考虑输入电压波动、输出电流波动、电磁干扰、热管理、尺寸和成本等因素，并通过合理的电路设计和元器件选择来满足设备对电源的稳定性和可靠性要求。
7. DCDC电源的保护机制：为了保护DCDC电源和负载设备，常见的保护机制包括过压保护、过流保护、过热保护、短路保护等。
8. DCDC电源的故障排除方法：遇到DCDC电源故障时，可以通过检查输入和输出端电压、检查元器件接触和损坏、检查电路连接和布局等方法来排除故障。
9. DCDC电源的发展趋势：随着科技的不断进步和需求的不断变化，DCDC电源正朝着小型化、高效率、高可靠性、多功能等方向发展。
未来可能出现新的DCDC电源技术和应用。
10. DCDC电源的设计和应用需要结合具体的需求，包括输入输出电压范围、功率需求、环境条件等，以确保设计的电源满足设备的要求。
dcdc开关电源工作原理
dcdc开关电源工作原理
DC-DC开关电源是一种将输入直流电压转换为不同电压输出
的电源。
它通过在开关管（通常是MOSFET）上开关操作来
实现电压转换。
工作原理如下：
1. 输入电压：首先，输入直流电压通过输入电容器进行滤波，以确保输入电压的稳定性。
这样可以避免输入电压的变化对输出电压造成干扰。
2. 开关操作：接下来，控制器会根据所设定的输出电压来控制开关管的工作。
它通常使用脉冲宽度调制（PWM）技术，即
通过改变开关管的开关周期和占空比来调节输出电压。
3. 能量存储：在开关管开启的瞬间，输入电压会通过电感器将能量储存起来，形成电感能量。
4. 能量释放：而在开关管关闭的瞬间，储存在电感中的能量会通过输出电容器提供给输出负载。
通过这种方式，能够将输入电压转换为所需要的输出电压。
5. 反馈控制：在整个过程中，反馈控制器会对输出电压进行监测并与预设的输出电压进行比较。
如果输出电压偏离了预设值，反馈控制器会相应地调整开关管的开关周期和占空比，以使输出电压保持稳定。
这种开关操作的方式可以实现高效的能量转换，并且相比线性稳压器，DC-DC开关电源具有更高的效率和更小的体积。
它
广泛应用于电子设备中，如计算机、通信设备、电源适配器等。
DCDC升压开关电源设计
DCDC升压开关电源设计DC-DC升压开关电源是一种常见的电源设计，它可以将输入电压升压到指定的输出电压。
本文将介绍DC-DC升压开关电源的基本原理、设计步骤以及注意事项。
一、DC-DC升压开关电源的基本原理DC-DC升压开关电源通过开关器件实现输入电压的升压。
其基本原理是电感储能和开关器件的周期开关。
当电源输入电压施加给开关器件时，开关器件导通，电感器件开始储能；当开关器件断开时，电感器件将储存的能量输出，并经过整流滤波后得到稳定的输出电压。
二、DC-DC升压开关电源的设计步骤1.确定输入输出电压：首先确定所需的输入和输出电压。
输入电压一般来自电池、交流电源或其他直流电源，而输出电压则是升压后的电压。
2.选择开关器件：根据所需的转换功率和输出电压，选择合适的开关器件。
常用的开关器件有MOSFET和IGBT，选择开关器件时要考虑其导通电阻、开关速度和功耗等因素。
3.选择电感器件：电感器件用于储存能量，可以选择磁性材料制成的线圈或铁氧体等。
选择合适的电感器件要考虑其电感值、饱和电流和损耗等因素。
4.计算元件参数：根据输入输出电压和所选的开关器件和电感器件，计算所需的元件参数。
包括电容器的容值、电感器件的电感值以及开关器件的参数，例如导通电阻和开关频率等。
5.设计控制电路：根据所选的开关器件类型，设计适配的控制电路。
常用的控制电路包括PWM控制电路、反馈电路和过压保护电路等。
6.进行仿真和优化：使用电路仿真软件进行仿真，验证设计的可行性，并根据仿真结果进行优化。
7.PCB布局设计：根据设计的电路图，进行PCB布局设计，保证电路的稳定性和可靠性。
8.制作原型并测试：将设计的电路制作成原型，进行测试以验证其性能和可靠性。
三、DC-DC升压开关电源设计的注意事项1.开关器件选型要合适，能够承受所需的转换功率和工作频率，同时保持较低的导通电阻和开关损耗。
2.电感器件的选用要符合电路的工作频率和最大电流需求，避免电感器件的饱和和损耗过大。
DCDC电源基础知识
DC-DC电源分类及工作原 理
（2）开关断开
• 当开关处于断开状态时，通过电感的电流为：
IL of f 0 (1 D )T(V i L V o )d t (V i V o ) L 1 (D )T
关键器件选择
4.1 输出电感 · 作用
能够将电能转化为磁能而存储起来。由 于电感电流不可突变从而维持整个开关周期 电流的持续输出。
电感Q值：也叫电感的品质因素，是衡 量电感器件的主要参数。是指电感器在某 一频率的交流电压下工作时，所呈现的感 抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越 高，其损耗越小，效率越高。Q值过大，引 起电感烧毁，电容击穿，电路振荡。
DC-DC电源分类及工作原 理
1.2 Boost converter（升压型)
升压 电感
滤波 电容
升压变换器原理图
• Vo=Vin/(1-D) • D<1，Vo>Vin
DC-DC电源分类及工作原 理
（1）开关连接
• 当开关处于连接状态时，通过电感的电流为：
1 DT DT
ILonL0 Vid t LVi
• 饱和电流
（∆IL取负载电流的30%左右）
电感饱和电流一般为电感峰值电流的1.25~1.5倍,如果小于电路的峰值电
流,那么电感量就会变小，达不到滤波效果。
IPEA IK OU TIL/2
关键器件选择
4.2 分压电阻
• 作用 输出电压通过R1和R2组成分压网络反馈给控制电路，控制PWM占空比，从而控 制开关管的导通和截止，达到稳定输出电压的目的。所以分压电阻很重要的作 用是设置Buck电路的输出电压值。计算公式如下：
DCDC培训资料2
要点二
详细描述
DC/DC转换器控制原理是通过调节开关的占空比，将 输入电压变换成所需的输出电压。控制策略包括电压模 式控制和电流模式控制两种主要方式，其中电压模式控 制具有简单、响应速度快等优点，但存在负载效应和输 出电压交叉调整率的问题；电流模式控制则可以消除负 载效应，提高系统性能，但电路实现较为复杂。
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技术发展趋势及市场前景分析
高可靠性及长寿命
DC/DC转换器在许多重要领域都有应用， 如航空航天、工业控制、数据中心等。这些 领域对DC/DC产品的可靠性和寿命要求非 常高。因此，提高DC/DC产品的可靠性和 寿命是未来发展的重要方向之一。
智能化及数字化
随着数字化时代的到来，智能化和数字化成 为了电子设备的重要特征。DC/DC转换器
系统集成与测试
将DC/DC转换器与其他电路 集成，并进行性能测试和验证 。
设计输入和输出参数的确定
输入电压范围
根据应用需求，确定DC/DC转换器的输入 电压范围。
负载特性
根据应用需求，确定DC/DC转换器的负载 特性，如阻性负载、感性负载等。
输出电压和电流
根据应用需求，确定DC/DC转换器的输出 电压和电流。
数字控制技术
数字控制技术是实现高效能转换的关键技术之一。未来，研究数字控制技术将会成为 DC/DC转换器发展的重要方向之一。通过引入先进的数字信号处理和控制算法，实现更精 确的控制和更优化的运行，提高设备的性能和可靠性。
智能化及数字化技术
智能化和数字化技术将会成为DC/DC转换器未来发展的重要方向之一。通过引入人工智能 、机器学习等技术手段，实现设备的自主控制和智能管理，提高设备的智能化程度和自动 化水平。
DC-DC开关电源基础知识
开关电源基础知识介绍1、输出纹波噪声的测量及输出电路的处理PWM 开关电源的输出的纹波噪声与开产频率有关。
其纹波噪声分为两大部分：纹波（包括 开关频率的纹波和周期及随机性漂移）和噪声（开关过程中产生）。
周期及随机性漂移在纹波与噪声的测量过程中，如果不使用正确的测量方法将无法正确地测量出真出的输出 纹波噪声。
下面是推荐的测量方法：平行线测量法:输出管脚接平行线 后接电容,在电容两端使用20MHz 示波器探头测量。
具体要求见右图， 负载C 为瓷片电容，负载与模块之间的 距离在51mm 和76mm(2in.和3in) 之间。
在大多数电路中,本公司模块的输出纹波噪声都能满足要求。
对于输出纹波有较为严格要求的 电源系统可以在输出增加差模滤波器来进一步降低纹波，但在设计过程中应注意尽量选择较小的 电感和较大的电容。
如果需要消除进一步喊小噪声，需要加共模滤波器。
输入与输出及外壳之间加高压隔离电容（一般为1~2.2nF ）也可以减小共模噪声。
2、多路输出的交互调节及其应用对于多路输出的电源模块，用户比较关心输出 负载发生变化时不同输出路的相互间的影响。
例如，当主路输出空载时，辅助输出路的负载能力，一般电源100% 由于主路负载太轻，而使辅助路输出的能力极低。
本 公司产品采用了集成磁路的概念，或采取双路同步控制96% 使输出电压之间的交互调节特性大大改善。
下图显示了 交互调节的优点。
图中lo1为主路负载电流、lo2为辅助 0路负载电流、Vo2为辅助路输出电压。
由图可见， 20%100% Io2在主路负载从20%～100%变化时，辅助路输出电压随辅助路负载电流的变化曲线中，辅助路输出电压始终在±4%范围之内。
即使在最坏的情况，即主路 空载、辅助路江载，主路满载、辅助路空载时其输出电压也能保证在标称电压的±10%范围之内。
由此，对于输出稳压精度要求不太高的情况下，这种不稳压的辅助输出不仅能够满足供电的条件， 而且相对成本低、器件少、可靠性高。
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开关电源基础知识介绍
1、输出纹波噪声的测量及输出电路的处理
PWM 开关电源的输出的纹波噪声与开产频率有关。
其纹波噪声分为两大部分：纹波（包括 开关频率的纹波和周期及随机性漂移）和噪声（开关过程中产生）。
周期及随机性漂移
在纹波与噪声的测量过程中，如果不使用正确的测量方法将无法正确地测量出真出的输出 纹波噪声。
下面是推荐的测量方法：
平行线测量法:输出管脚接平行线 后接电容,在电容两端使用20MHz 示波器探头测量。
具体要求见右图， 负载
C 为瓷片电容，负载与模块之间的 距离在51mm 和76mm(2in.和3in) 之间。
在大多数电路中,本公司模块的输出纹波噪声都能满足要求。
对于输出纹波有较为严格要求的 电源系统可以在输出增加差模滤波器来进一步降低纹波，但在设计过程中应注意尽量选择较小的 电感和较大的电容。
如果需要消除进一步喊小噪声，需要加共模滤波器。
输入与输出及外壳之间加高压隔离电容（一般为1~2.2nF ）也可以减小共模噪声。
2、多路输出的交互调节及其应用
对于多路输出的电源模块，用户比较关心输出 负载发生变化时不同输出路的相互间的影响。
例如，
当主路输出空载时，辅助输出路的负载能力，一般电源100% 由于主路负载太轻，而使辅助路输出的能力极低。
本 公司产品采用了集成磁路的概念，或采取双路同步控制96% 使输出电压之间的交互调节特性大大改善。
下图显示了 交互调节的优点。
图中lo1为主路负载电流、lo2为辅助 0
路负载电流、Vo2为辅助路输出电压。
由图可见， 20%
100% Io2
在主路负载从20%～100%变化时，辅助路输出电压随
辅助路负载电流的变化曲线中，辅助路输出电压始终在±4%范围之内。
即使在最坏的情况，即主路 空载、辅助路江载，主路满载、辅助路空载时其输出电压也能保证在标称电压的±10%范围之内。
由此，对于输出稳压精度要求不太高的情况下，这种不稳压的辅助输出不仅能够满足供电的条件， 而且相对成本低、器件少、可靠性高。
建议用户首先考虑不稳压的辅助输出的电源模块。
3、容性负载能力与电源输出保护
建议用户对电源模块的阻性负载取大于10%额定负载，这样模块工作比较稳定。
电容作为电源去耦及抗干扰的手段，在现代电子线路中必不可少，本公司的电源模块考虑此 因素，都有相当的容性负载能力。
但由于考虑到电源的综合保护能力，尤其是输出过载保护， 容性负载能力不可能太大，否则保护特性将变差。
因此用户在使用过程中负载电容总量不应 超过最大容性负载能力。
Vo
输出电流保护一般有四种方式：
●恒流式：当到达电流保护点时，输出电流随负载的 进一步的加重，略有增加，输出电压不断下降。
●回折式：当到达电流保护点时，输出电流随负载的 的加重，输出电压不断下降，同时输出电流也不断下降。
●截止式：当到达电流保护点时，电源模块输出被禁止。
●恒流-截止式：当到达电流保护点时，首先是恒流式 的保护方式，当输出电流达到某值时，电源模块输出被禁止。
●精确自恢复截止式：输出电流到达保护点，电源模块输出被禁止，负载减轻电路自恢复。
在大部分电路中使用恒流式与截止式较多，比较理想的保护方式是精确自恢复截止式，或者 恒流-截止式保护。
其中恒流式、回折式保护本质上就是自恢复的，但输出短路时的功耗较大， 尤其是恒流式。
而截止式、恒流-截止式保护的自恢复特性须加辅助复位电路来完成自恢复，其 输出过载时的功耗可以通过复位电路的周期进行调整，即调整间歇启动的时间间隔。
一般电流 保护1.2~2倍标称输出电流。
精确自恢复截止式电流保护点设定为标称输出电流1.2倍或1.3倍。
一般输出有过压嵌位保护。
4、负载瞬态响应
当输出的负载迅速发生变化时，输出的电压会出现 上冲或下跌。
电源模块经过调整恢复原输出电压。
这个 Vo ）和恢复 时间（tr ）。
过冲越小，恢复时间越短，系统响应速度 越快。
一般在25%的标称负载阶跃变化，输出电压的
过冲为4%VO ，恢复时间为500µS 左右。
5、外围推荐电路
1）输出电压的调节：
本公司产品中有TRIM 输出管脚的产品，可以通过电阻或电位器对输出电压进行一定范围内的 调节。
将电位器的中心与TRIM 相连，在有+S ，-S 管脚的模块中，其他两端分别接+S 、-S ，没有 相应主路的输出正负极（+S 接Vo1，-S 接GND 上，调节电位器即可。
辅路跟随主路调节。
电位器 阻值根据输出电压的大小选用5～20KΩ比较合适。
一般微调范围为±10%。
在直接与输出正负极相连时，请单独走线以免引入其他不必要的干扰。
2）遥控开/关电路
模块的遥控开/关操作是通过REM 端进行控制的。
一般控制方式有两种：
●正逻辑控制方式：REM 端接高电平或悬空状 态，模块工作；REM 端接低电平状态，模块关断。
●负逻辑控制方式：REM 端接低电平状态， 模块工作；REM 端接高电平或悬空状态，模块关断。
●高低电平值参见产品系列说明。
●如果控制需要与输入端隔离则可以使用光耦
作为传递控制信号。
如右图所示，R 只有在“悬空关断”的控制方式时才有必要使用。
3）DC/DC 产品输入保护电路：
本公司的PWM 开关电源模块都有内置的滤波器，能满足一般电源应用的要求。
LC VIN
GND
推荐用户使用下图的电路，输入加铝电解电容以吸收模块输入端的电压尖峰并为模块提供 一定的维持电压，一般在25～50W 功率48V 输入的模块，选择几十微法左右的电容较为合适。
考虑到纹波的因素，尽量先用低ESR 的电容。
为了防止输入电源瞬态高压将电源模块烧毁，
建议用户在输入端接瞬态吸收二极管并配合保险管 使用，确保模块在安全的输入电压范围内。
为了降低共模噪声，可以增加Y 电容。
一般选择
1~10nF 高频电容。
在图中，R 为保险管、D1为反接保护二极管、 C 为滤波电容（如铝电解电容）、Cy 为Y 电容。
D2 为瞬态吸收二极管（P6KE 系列）。
4)冗余热备份电路
将相同的模块输出通过二极管并联使输出能力增倍，同时提高了电源系统的可靠性．原则上 如果配合相应输出告警电路，将模块放在可以拆卸的母线上，出现故障的模块及时更换，电源 系统将有非常高的可靠性。
这种方法并联的模块没有数量的限制。
下图中D 一般为肖特基二极管， 在D 之前可以加告警电路来反映模块的好坏。
模块也须使用TRIM 进行相应的调整。
5）AC/DC 产品外围推荐电路
如下图所示L 为火线，FUSE 为熔断器，N 为零线，C1为高频特性好的瓷片电容或聚酯电容， FG 为机壳，E1为铝电解电容，RT 为压敏电阻（标称电压470V 以上）--直径10mm 以上。
因模块电源已内置输出铝电解电容，用户可以不加E1电容。
如果用户的空间足够大，也可以 选择允许的耐压值，容量不大于模块允许的容性负载值的铝电解电容，以提高模块的使用寿命。
FUSE RT ～
负载
（图5-8）。