1 / 58

Agenda

Agenda. 功率转换 LDO ，开关电源 锂电充电管理 音频功放. 功率转换概述. 线性稳压器、开关稳压器和电荷泵. 功率转换 – 基础知识. 这里越来越热了！. 输出电压： 2.85V,2.8V,2.5V1.8V,1.5V 并有继续下降的趋势. 输入电压 Vin 对手持设备来说就是电池供电电压 锂电： 3 ～ 4.2V. . Pout ＝ Vo×Io. Pin ＝ Vin×Iin. 转换过程产生热量 Ploss ＝ Pin － Po, 这部分损耗对系统的正常工作没有任何贡献，唯一的作用就是缩短待机时间. =Pout/Pin 称为效率.

prentice
Download Presentation

Agenda

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Agenda • 功率转换 • LDO，开关电源 • 锂电充电管理 • 音频功放

  2. 功率转换概述 线性稳压器、开关稳压器和电荷泵

  3. 功率转换 –基础知识 这里越来越热了！ 输出电压：2.85V,2.8V,2.5V1.8V,1.5V 并有继续下降的趋势 输入电压Vin对手持设备来说就是电池供电电压 锂电：3～4.2V  Pout＝Vo×Io Pin＝Vin×Iin 转换过程产生热量Ploss＝Pin－Po, 这部分损耗对系统的正常工作没有任何贡献，唯一的作用就是缩短待机时间 =Pout/Pin 称为效率

  4. 功 率 器 件 预 备 知 识 • MOSFET三个工作区 • 截止工作区Ι • 栅源电压Vgs低于开通阈值时MOSFET处于截止状态，电流为零，不产生功耗 • 线性工作区 Ⅱ • Vgs高于开启电压时，随着Vgs电压升高，导通电阻也在减小。导通电阻受栅源电压控制，因此漏源电压Vds＝Id*Rdson也受栅源电压控制 • 饱和工作区 Ⅲ • Vgs增大到某个值以上，导通电阻达到最小值，再增加Vgs, 导通电阻不会发生变化 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 导通电阻Rdson与栅源电压Vgs关系

  5. Vbat Vout Cout CONTROL Cfly Vbat 功率转换存在两种选择 • 线性方式： • 效率低 • 噪声小 • 小或低电流时可以接受 • 只能降压 • 功率器件工作在线性工作区 • 电压和电流同时具有较大值，功耗较大 • 调整速度快，可以获得极快的动态响应时间 • 开关方式： • 效率高 • 要求一个储能元件–电感或电容 • 存在噪声和EMI问题 • 输入输出压差大时是理想的选择 • 可对输入电平 升压/降压/反向 • 功率器件工作在开关状态 • 截止时电流为零，没有损耗，导通时由于导通电阻很小，因此电压几乎为零，也不会产生损耗 线性降压 LDO 开关降压Buck 电荷泵Charge Pump

  6. 线性稳压器 • 线性稳压器的作用相当于一个可控制的可变电阻，通过改变与负载之间的电阻比例来调整输出电压，使输出电压保持稳定 • R1相当于MOSFET的导通电阻Rdson，可以由栅源驱动电压来控制，对三极管来说是控制基极电流 • 输入和输出电容用于改善稳定性和瞬态响应性能

  7. 线性稳压器特性 功率元件工作在线性区： 1。功率器件两端电压和流过的电流同时存在，功耗较大 2。动态响应速度快 输出电压调整元件相当于可变电阻 可以为三极管或MOSFET Iin＝Io Vout 100 mA 1.8V 100mA 3.6V 反馈电路控制功率元件中的偏置电压或偏置电流来控制调整管两端的电压来保证输出电压恒定

  8. 线性稳压器分类 一般的线性稳压器 } » Min (V - V ) 2V IN O V V 主要区别是最小压差，为了保持输出电压稳定输入和输出电压之间必须有一定的压差来保证调整器件正常的工作 低压差稳压器的最小压差较小，一般小于0.5V,用于手持设备的典型值为150mV IN OUT REF GAIN 低压差线性稳压 } » Min (V - V ) 0.5V IN O V V IN OUT I B REF GAIN

  9. 开 关 稳 压（电感型） 降 压 升 压 采用的元件类似，放置方法不同

  10. 基本降压转换器 BUCK • 输出总是小于或等于输入 • 输入电流不连续（斩波） • 输出电流平滑

  11. 控制功率流脉冲宽度调制 PWM Vin Vo 占空比

  12. 对脉冲串进行滤波 • 对输入脉冲电压进行平均滤波 • 电感是平均元件 • 电容提供附加滤波和瞬态响应

  13. V2(t) FRamp PWM 脉冲的产生 锯齿波 误差比较器输出 开关控制信号

  14. “典型的”开关模式架构电压模式 PWM • 反馈电压Vfb从 Vout 分压器引出 • 线性误差放大器输出与(Vref – Vfb)成正比 • 固定频率锯齿波与误差信号比较 • 比较器输出是固定频率、可变脉冲宽度信号，用于驱动功率开关 线性输出的误差信号» K1 * (Vref- K2* Vout) V out 可变占空比，固定频率 V fb (又叫 “PWM”) 开关驱动信号 V ramp V T ref T

  15. 实际MOSFET 开关 CGS: Gate to Source Capacitance CGD: Gate to Drain, or “Miller” capacitance CDS: Drain to Source, or “Coss” capacitance RGi: Internal Series Gate Resistance VT: Gate Threshold Voltage LS: Source Inductance LD: Drain inductance RDS(on): Drain to Source Resistance

  16. Turn-On Characteristics: Step 1 Step 1. Charge CGS to the threshold level. ＋ ＋ － －

  17. Turn-On Characteristics: Step 2 OUCH! Step 2. Charge CGS from VTH to VGS,MIN required to carry ID. (linear region) ＋ ＋ － － Note: The Switch voltage cannot change until the output diode is turned off

  18. Turn-On Characteristics: Step 3 OUCH AGAIN! Step 3. Discharge CGD and CDS as VDS falls close to GND. ＋ －

  19. Turn-On Characteristics: Step 4 Step 4. Apply overdrive by charging CISS to the final gate voltage. 功耗由导通电阻决定Ploss=Id**2*Rdson － ＋

  20. MOSFET损耗 损耗由4部分组成： 开关损耗，与开关频率成正比 导通损耗，与MOSFET导通电阻和负载电流有关，负载已知时为固定值 • 重载时，导通损耗所占比重较大，效率主要由导通损耗决定 • 轻载时，导通损耗很小，开关损耗所占比重较大，效率主要由开关损耗决定 ，因为手机大部分时间都处在待机状态负载较轻，因此轻载时的转换效率对系统待机时间影响很大。 • 如何提高轻载时的转换效率是电源管理非常重要的内容

  21. Switch开关 Vripple纹波 各种脉冲控制方法 • 在PWM (脉冲宽度调制）中 ，开关频率恒定。占空比取决于脉冲宽度(ton)。NCP1508/09/10/11/20，NCP1402 • 在PFM (脉冲频率调制）中，脉冲宽度(ton) 恒定。 toff随着负载和输入电压变化而改变。所以，开关周期不恒定。它是ton和 toff的和。轻载时可以降低开关频率，提高转换效率NCP1403/NCP1406/NCP5006/NCP5007 • 脉冲方式Pulse ，PFM模式结合突波模式。即在轻负载下，一些开关周期被忽略，来进一步减小开关次数。NCP1508/09/10/11/20 PFM 模式

  22. V2(t) FRamp 电压控制 PWM Verror V2 Verror • Fixed & Well Known Ripple Frequency • Noise Easy to control • High Quiescent Current (oscillator)

  23. 电流控制 PWM V2 Verror ISense V2(t) FPulse • Fixed & Well Known Ripple Frequency • Noise Easy to control • High Quiescent Current (oscillator) • Bit Easier To Stabilize

  24. PFM模式 开或关定时 开通时间固定，关断时间由误差比较器决定，如NCP1410，NCP1421或 关断时间固定，开通时间由比较器决定 如NCP5006，NCP5007

  25. Pulse模式

  26. PWM, PFM，Pulse 用在哪里?为什么? PWM • 一般应用– 占空比范围大 • 频率敏感系统，如电信/无线–开关频率固定。不会干扰系统信号。 • PWM信号也可以和主系统时钟同步 PFM，Pulse • 便携式设备–在低占空比/低频时可以降低静态电流和开关损耗。

  27. 不同控制方法效率对比 PULSE模式是转换效率最高的控制方式，轻载时比LDO效率还要高 输出电压纹波也响应的会增大

  28. Vo = D×VIN VIN－Vo ΔIL = ΔIC =D FL D(VIN – VOUT) DVIN ΔVOUT = + RC 8F2LC FL BUCK 降压 V1 VL - + Is Io + + Ton Toff + Vout < VIn F VIn IS V1 Ic Id - - - ID IL IL MOY = IO ΔIL IC 功率器件工作在开关状态，器件两端的电压和其中的电流不会同时存在，器件功耗小，因此效率高 ΔIC Vout ΔVout

  29. 升压 • 把输入升压到一个更高的电压。 • 与降压类似，但是电感、开关和二极管重新安排。 • 输出总是大于或等于输入 • （忽略二极管的正向压降）。 • 输入电流平滑。 • 输出电流不连续（斩波）。 负载

  30. 同步整流 • 二极管可以由开关替代，以控制电流和提高效率 NCP1410 250mA Boost 升压转换器 NCP15XX 控制逻辑

  31. True Cutoff 关断时电流通路

  32. NCP1411 Normal DC-DC NCP1411250mA, Sync-Rect, PFM, Step-Up DC-DC Converter with Low-Battery Detector and Ring Killer Ring Killer Improves EMI in Discontinuous Conduction Mode Effect of Ring Killer Circuit • The MAX1676 has a similar function but requires: • an additional external resistor • a larger 10-pin package

  33. 基于电荷泵的功率转换 • 电容可以用来存储能量! Vbat Vout Vbat Cout Cfly CONTROL控制 Vout CONTROL控制 Cout Vbat 基于电感的升压转换器 基于开关电容的升压转换器

  34. 基本倍压器 Vbat S2 Vout S1 Cout Cfly Vout = Vbat + Vcfly S3 S4 U1 CLOCK时钟

  35. 第1阶段 – 把电荷传输到加速电容 Vbat S2 Vout S1 ＋ Load负载 － Cout ＋ Cfly － S3 S4 Vcfly = Vbat U1 CLOCK时钟

  36. 第2阶段 – 将Vbat加到Cfly上 Vout Vbat S2 S1 ＋ Cout 负载 － ＋ Cfly － Vcout = Vbat + Cfly S3 S4 U1 CLOCK时钟

  37. 倍压器 – 非稳压 Cout = 陶瓷 ESR = 0.050 ohm ESR = 0.050  无负载 时间

  38. 倍压器（稳压） – Vout上的波纹 负载 = 50R 500mVpp Cout = 陶瓷 ESR = 0.050 ohm ESR = 0.050  负载 = 50  时间

  39. 电荷泵小结 • 在开关周期中，电荷存储在电容中 • 与电感方法比较，开关元件的数量增加 • 需要的电容大小是开关速度和输出负载要求的函数。 • 总的PCB面积通常小于中等负载的开关稳压器。 • 可以不稳压或由外加的控制电路稳压 • 也可以用于使电压反相 • 效率比电感方式低

  40. 电荷泵作为电压反相器 电容 输出电压 输出电流

  41. DC/DC Vs LDO

  42. 小结 • 这是对低压、低功率应用中最常用的电路拓扑结构的综述 • 还有各种其它的拓扑结构，但是大多数是这里的变形或组合 • 每种拓扑结构包含一组独特的设计折衷： • 系统效率的影响 • 噪声产生和控制 • 器件的数量和大小

  43. 锂离子电池充电管理

  44. Li-ion电池充电要求 • 需要4个阶段 • 预充电（pre-charge) • 恒流充电（full-charge） • 恒压充电（final-charge） • 涓流充电（trickle-charge）

  45. Li-ion电池充电要求

  46. 预充电（pre-charge) • 条件判断－如果电池电压<0.9V,将判断为电池已经损坏，不会再对电池进行充电，因为对已经损坏的电池进行充电可能会造成安全问题（爆炸或燃烧）。 • 电池电压低于放电终了电压（3V）并且大于0.9V时，以恒流充电电流的1/10的电流进行小电流充电，时间较短，一般为几分钟 • 如果用大电流对完全放电的电池进行充电，会对电池造成损害。

  47. 恒流充电（full charge） • 电池电压大于一定阈值后，将进入恒流充电 • 特点 • 恒流 • 电池的大部分能量（80%）在这一阶段储存 • 时间较长 • 充电电流一般在0.5C，过大影响充电效率，充满后的容量会减少。

  48. 恒压充电（final charge) • 电池电压达到充电的终了电压时进入恒压充电 • 特点 • 电池电压保持恒定。 • 充电电流逐渐较小。 • 充电电流小于1/10恒流充电电流时，可以认为充电结束。 • 电池容量将完全得到补充

  49. 涓流充电（trickle-charge） • 充电电流小于1/10恒流充电值时，为涓流充电 • 特点 • 电池电压恒定 • 充电电流逐渐接近0 • 目的是补充电池的自放电 • 锂电的自放电速率一般在5%-10%每月

  50. 功率器件的设计 • 功率器件持续流过充电电流，会产生热量，温度会有上升。 • 功率器件上的功耗为 • Ploss=(Vin-Vbat)*Icharg • Vin－充电器输出电压 • Vbat－电池电压 • Icharg－充电电流 • 降低温度的方法 • 降低充电器输出电压 • 减小充电电流 • 改善散热条件 NTHD4P02 NTHD3101

More Related