1、Switching Power Supply第1页，共52页。RegulationnLine Regulation LIR=(Vo/Vo)*100%)/Vin 當輸入電壓變化時,輸出電壓的變化率 單位:%/VnLoad Regulation LOR=(Vo/Vo)*100%)/Io 當輸出負載變化時,輸出電壓的變化率 單位:%/A第2页，共52页。Condition of good powernLine Regulation 當輸入電壓變化時,輸出電壓變化率 nLoad Regulation 當輸出負載變化時,輸出電壓變化率nWide Input VoltagenEfficiencynPowe
2、r Density 單位體積,可以達到的瓦特數 nHold-up time 當輸出電壓off後,輸出電壓可以維持的時間第3页，共52页。Linear Regulator由電晶體Q1 當作一可變電阻Vout=Vin-VCE 當RCE增加 VCE增加 Vout下降當RCE下降 VCE下降 Vout上升優點:1.線路控制簡單2.Vout Ripple小缺點:1.Q1易熱2.效率差3.Regulation 差 Vout=Vin-VCEVin第4页，共52页。Switching RegulatorVinVout以Q1當作開關 對Vin做高頻切割再透過L儲能及釋能傳輸至輸出端優點:1.效率高2.Q1不易熱
3、3.Regulation 好缺點:1.電路控制複雜2.Vout Ripple大第5页，共52页。Buck ConverterVinVin-VSW(Vin-VSW)*DLC Filter第6页，共52页。Buck converter Stage 1SW closed;D視為開路;Vin 對電感 L 儲能 =第7页，共52页。Continue stage 1volatge,vL(t)time,t0tONcurrent,iL(t)time,t0IL=I1I2=I1+(VIN-VO)(tON)-LILVIN-VO根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感儲能的電流
4、 dt=儲能時間公式推導:Vin=VL+Vo+VSW 但VSW很小 故VL=Vin-Vo又 VL=L di/dt所以 Vin-Vo=L IL/ton 第8页，共52页。Buck converter Stage 2=SW opened;VL電壓反向;強迫D導通;電感將能量釋放給RL第9页，共52页。Continue stage 2volatge,vL(t)time,tcurrent,iL(t)time,t00tOFFIL=I2=I1+I1-VO(VO)(tOFF)-LIL根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感釋能的電流 dt=釋能時間公式推導:VL=Vo
5、+VD 因為VD很小 故VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo=L IL/toff VD第10页，共52页。Combine stage1 and stag2volatge,vL(t)time,t0tONcurrent,iL(t)time,t0tOFFT=tON+tOFFI1AAVIN-VO-VO(VIN-VO)(tON)-LILI1+IL=根據伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin-Vo ;VL-toff=Vo所以(Vin-Vo)*ton=Vo*toff=Vin*ton=Vo(ton+toff)所以Vo/Vin=ton/(ton+toff)=
6、D(D為為duty cycle 小於小於1 所以是降壓所以是降壓)第11页，共52页。Boost ConverterVinVin/(1-D)Vin+VL第12页，共52页。Boost converter stage 1SW Closed;D是為開路;Vin對L儲能=第13页，共52页。Continue stage 1volatge,vL(t)time,t0tONcurrent,iL(t)time,t0IPk=(VIN)(tON)-LVIN根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感儲能的電流 dt=儲能時間公式推導:Vin=VL+VSW因為 VSW很小 故
7、Vin=VL又 VL=L di/dt所以 Vin=L iL/tonVSW第14页，共52页。Boost converter stage 2SW opened;VL電壓反向;電感 L 對RL釋能=第15页，共52页。Continue stage 2volatge,vL(t)time,tcurrent,iL(t)time,t00tOFFIPk=VO-VIN(VO-VIN)(tOFF)-L根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感釋能的電流 dt=釋能時間公式推導:Vin+VL=VD+Vout因為 VD很小 故 Vout Vin=VL又 VL=L di/dt所以
8、 Vout-Vin=L iL/toff+-VD第16页，共52页。Combine stage 1 and stage 2volatge,vL(t)time,t0tONcurrent,iL(t)time,t0tOFFT=tON+tOFFI1AAVIN VO-VINILI1+IL=(VIN)(tON)-L根據伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin ;VL-toff=Vo-Vin所以Vin*ton=(Vo-Vin)*toff=Vin*(ton+toff)=Vo*toff所以Vo/Vin=(ton+toff)/toff=1/(1-D)(D為為duty cy
9、cle 小於小於1 所以是升壓所以是升壓)第17页，共52页。Buck-Boost ConverterVin-VswVL-D/(1-D)VinVin第18页，共52页。Buck-Boost converter stage 1=SW Closed;D是為開路;Vin對 L 儲能第19页，共52页。Continue stage1根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感儲能的電流 dt=儲能時間公式推導:Vin=VL+VSW 但VSW很小 故VL=Vin又 VL=L di/dt所以 Vin=L IL/ton volatge,vL(t)time,t0tONcur
10、rent,iL(t)time,t0IPk=(VIN)(tON)-LVINVSW+-第20页，共52页。Buck-Boost Converter stage 2=SW Opened;VL電壓反向;D導通第21页，共52页。Continue stage 2volatge,vL(t)time,tcurrent,iL(t)time,t00tOFFIL=I2=I1+I1-VO(VO)(tOFF)-LIL根據冷次定律 VL=L di/dt VL=電感上電壓 L =電感值 di=對電感釋能的電流 dt=釋能時間公式推導:-VL=-VD+Vo 因為VD很小 故-VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo=L
11、 IL/toff +-VD第22页，共52页。Combine stage1 and stage 2n根據伏秒定律:n電感 VL-ton*ton=VL-toff*toffn又nVL-ton=Vin ;-VL-toff=Von所以nVin*ton=(-Vo)*toff=Vin*ton=-Vo*toffn所以nVo/Vin=-ton/toff=-D/1-Dn(當當D0.5是負升壓是負升壓 n當當D=0.5是一倍負壓是一倍負壓)VLVinVottontoff第23页，共52页。Buck current waveform nBuck ConverterIL=Vo/RLIL=Imax-Imin=ton*(
12、Vin-Vo)/L.ton =toff*Vo/L.toff Ic=ILIc=ILID=ILID=IL 僅在OFF STATE 存在ImaxILIminImaxIcIminImaxIDImint第24页，共52页。Buck Output Voltage RipplenQ=C*V=I*T=Q=C*Vo=Ic*TnVo=Q/C=(1/2)*(T/2*1/2 IL)n 底*高n =(1/8)*(T*IL)/CIctQT/2IL第25页，共52页。Boost current waveformnBoost converterPi=Vin*Iin=Vin*ILPo=(Vo)2)/RL假設efficiency
13、=100%Pi=Po=Vin*IL=(Vo)2)/RL又Vo=Vin/(1-D)所以Vin*IL=(Vin/(1-D)2/RLIL=Vin/(1-D)2)*RL)ImaxIminILIc-maxIc-minID-maxID-mint第26页，共52页。Boost Output Voltage RipplenQ =C*Vo=I*T=(Vo/RL)*ton=C*Von =Vo=(Vo/RL)*ton/Cn =(Vo*ton)/(RL*C)-Vo/RLIcQt第27页，共52页。Buck-Boost CurrentnBuck-Boost ConverterPi=Vin*Iin 又Iin=D*IL所以
14、 Pi=Vin*IL*DPo=(Vo)2)/RL假設efficiency=100%Pi=Po=Vin*IL*D=(Vo)2)/RL又 Vo=(Vin*D)/(1-D).取正值所以Vin*IL*D=(Vin*D)/(1-D)2/RLIL=Vin*D/(1-D)2*RL)ImaxIminILIc-maxIc-minID-maxID-min第28页，共52页。Buck-Boost Output Voltage RipplenQ =C*Vo=I*T=(Vo/RL)*ton=C*Von =Vo=(Vo/RL)*ton/Cn =(Vo*ton)/(RL*C)-Vo/RLIcQ第29页，共52页。Discu
15、ssionnBuck Vo=(1/8)*(T*IL)/C=IL/(8*f*C)nBoost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)nBuck-Boost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)Depend on f,C,Duty cycle,RL(忽略其它效應忽略其它效應)第30页，共52页。How to choose the inductornBuck Regulator公式複習:1.VL=L di/dt=L=VL dt/di2.Vo/Vin=Ton/(Ton+Toff)=D第31页，共52页。Continue.BuckVL=L*d
16、i/dt=(Vin-Vo)=L=(Vin-Vo)*dt/di =(Vin-Vo)*ton/IL =(Vin-Vo)*(D*T)/IL SW ON Stage:又 D=Vo/Vin所以 L=(Vin-Vo)*(Vo/Vin)*T)/IL =(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/f*IL.eq1第32页，共52页。ContinueBuckSW OFF Stage:VL=L di/dt=Vo =L=Vo*dt/di =Vo*toff/IL =(Vo*(1-D)*T)/IL 又 D=Vo/Vin所以 L=Vo*(1-Vo/Vin)*T/IL =Vo*(Vin-Vo)/Vin)*/f*IL =(Vin-V
17、o)*(Vo/Vin)/f*IL.和eq1相同第33页，共52页。How to choose the inductornBoost Regulator公式複習:1.VL=L di/dt2.Vo/Vin=1/(1-D)第34页，共52页。Continue.BoostSW ON Stage:VL=L di/dt=Vin =L=Vin dt/di=Vin*ton/IL =Vin*D*T/IL又 Vo/Vin=1/(1-D)=D=1-(Vin/Vo)所以 L=Vin*(1-(Vin/Vo)*T/IL =Vin*(1-(Vin/Vo)/IL*f =(Vin/Vo)*(Vo-Vin)/IL*f.eq1第3
18、5页，共52页。Continue.BoostSW OFF Stage:VL=L di/dt=(Vo-Vin)=L=(Vo-Vin)*dt/di =(Vo-Vin)*toff/IL =(Vo-Vin)*(1-D)*T/IL 又 Vo/Vin=1/(1-D)=1-D=Vin/Vo所以 L=(Vo-Vin)*(Vin/Vo)/IL*f.和eq1相同第36页，共52页。How to choose the inductornBuck-Boost公式複習:1.VL=L di/dt2.2.Vo/Vin=D/(1-D)3.第37页，共52页。Continue.Buck-BoostSW ON Stage:VL=
19、L di/dt=L=VL*dt/di =Vin*dt/di=Vin*D*T/IL又Vo/Vin=D/(1-D)所以 D=Vo/(Vin+Vo)L=(Vin*(Vo/(Vin+Vo)*T)/IL =Vin*Vo/(Vin+Vo)*f*IL).eq1第38页，共52页。Continue.Buck-BoostSW OFF Stage:VL=L di/dt=L=VL dt/di =Vo*(1-D)*T/IL 又Vo/Vin=D/1-D 所以 D=Vo/(Vin+Vo)帶入 L=Vo*(1-(Vo/(Vin+Vo)*T/IL =(Vo*Vin)/(Vin+Vo)*f*IL).與eq1相同第39页，共52
20、页。Discussion nBuck L=(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/f*ILnBoost L=(Vo-Vin)*(Vin/Vo)/f*ILnBuck-Boost L=(Vo*Vin)/(Vin+Vo)*f*IL)Depend on Vin,Vo,f,IL第40页，共52页。Capacitor ESR nWhat is the ESR?ESR=equivalent series resistor等效串聯電阻第41页，共52页。ESR Issuen造成輸出電壓Ripple 增加 VESR=Io*RESRn造成Overshoot power on 或是Transient時,瞬間有一spik
21、e,造成系統不穩定n降低POWER系統效率 損耗功率,造成系統效率降低第42页，共52页。How to choose the Cout?nBuck 根據之前討論,Vo=IL/(8*f*C)所以 C=IL/(8*f*Vo)eq1 Depend on f,Vo,IL 但是由於有ESR的效應,所以 Vo=IL/(8*f*C)+Io*RESReq2 解決方式 1.根據eq1算出電容值後,選擇 Low ESR電容 2.根據eq1算出電容值後,選擇以數顆方式並聯 第43页，共52页。How to choose the Cout?nBoost 根據之前討論,Vo=(D*Vo)/(RL*C*f)所以 C=D*
22、Vo/(RL*f*Vo)eq1 Depend on f,Vo,Duty cycle 但是由於有ESR的效應,所以 Vo=(D*Vo)/(RL*C*f)+Io*RESReq2 解決方式 1.根據eq1算出電容值後,選擇 Low ESR電容 2.根據eq1算出電容值後,選擇以數顆方式並聯第44页，共52页。How to choose the Cout?nBuck-Boost 根據之前討論,Vo=(D*Vo)/(RL*C*f)所以 C=D*Vo/(RL*f*Vo)eq1 Depend on f,Vo,Duty cycle 但是由於有ESR的效應,所以 Vo=(D*Vo)/(RL*C*f)+Io*RE
23、SReq2 解決方式 1.根據eq1算出電容值後,選擇Low ESR電容 2.根據eq1算出電容值後,選擇以數顆方式並聯第45页，共52页。DiscussionnReduce the ripple 1.Cout加大但成本增加 2.ESR降低.Overshoot增加 所以 用多顆較小電容方式並聯最可行 1.價格較低 2.控制ESR大小 第46页，共52页。How to increase the efficiencynThe Loss of Power Regulator 1.Conduction loss 尤其在低壓大電流時明顯 2.Switching loss 尤其在切換頻率高時明顯 To r
24、educe the loss,and increase the efficiency第47页，共52页。Conduction lossnInductor=DCR 電感會有所謂DCR(直流等效阻抗),當電流流過時 PLOSS=I2*R 造成功率損失nSwitch =RCE-on/RDS-on 開關在導通時,在C-E or D-S間會有導通電阻,當電流流過時,PLOSS=I2*R,造成功率損失nFlying Diode=Turn-on voltage 飛輪二極體在導通時,有一導通電壓VD,當電流流過時,PLOSS=I*V,造成功率損失.nCapacitor=ESR 電容會有一等效串聯電阻ESR,當
25、電流充電時PLOSS=I2*R,造成功率損失第48页，共52页。How to reduce the conduction loss?n選Low DCR電感.n選Low RDS-ON開關=般選擇MOSFET而不選BJT.n選擇低導通電壓飛輪二級體,或用同步整流方式=用MOFET取代Diode.n選擇Low ESR 電容,但是須考量Overshoot/Transient問題.第49页，共52页。Switching lossn開關在切換時,往往在ID尚未到零時,VDS已經上升(或VDS尚未到零時,ID已經上升),造成PLOSS=ID*VDS,加上切換頻率升高,次數增加,故造成LOSS增加Switch
26、ing lossIDVDS第50页，共52页。How to reduce the switching loss n治標:降低SW frequency,以減少LOSS.n治本:使用Soft switching方式.nHard switching:切換時,說切就切,故造成P=ID*VDSnSoft switching:當切換時,用電路控制,將 ID or VDS將低至將近零時,開關才切換,故PLOSS0 ZVS:Zero-Voltage Switching ZCS:Zero-Current Switching第51页，共52页。DiscussionnConduction loss 元件選取,對於Conduction loss改善有很大影響,當往往因為Price問題,故cost/efficiency,需設計者Trade-off.nSwitching loss 不論是 ZCS 或 ZVS 控制策略複雜,線路設計困難,降頻有時不失為一個好方式,但頻率降低,元件Size增加,故仍需依照實際需要去選擇.第52页，共52页。
