本文接上篇,Buck电源电路作为汽车电子中通用的一种电路拓扑,被广泛应用于汽车的各种控制单元。以汽车ECU电控单元为例,ECU的内部供电电源包括供微处理器工作的5V、3.3V,部分处理器内核供电为1.2V和3.3V,因此对于ECU输入车载电池电压9V-32V而言,不能直接应用于该工作环境下,需要对输入电池电压进行降压处理。因此Buck电源电路作为性价比较高的一种电源拓扑广泛应用于ECU内部供电电路中。下面结合实际项目中ECU内部处理器1.2V内核供电的Buck电源电路从常见的电感、开关管等元器件参数选型到电源环路补偿和输出纹波等进行全面的分析设计,计算书源文件附加文末,欢迎大家交流学习。
一 、 技术参数
输入电压范围:9V-32V;
输出电压:1.2V;
输出电流:1.5A;
电流纹波率:0.3;
开关频率:2.4MHz
二、 工作模式
考虑到Buck电源电路为处理器内核供电,需要较高的控制精度和较小的输出电压纹波,因此设计该电路工作在CCM模式,采用PWM控制策略。
三、 环路补偿
环路补偿设计目标:①在穿越频率处,总的开环系统要有大于45°的相位裕量;②系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1,即-20Db/每十倍频程;③增益裕量是开环系统模的度量,裕量太小可能导致开环增益刚好通过-1点,一般留有6dB的裕量。
四、其他
考虑到所选ECU电源管理芯片内部已集成Mos开关管,因此只需要完成电感、二极管等元器件的参数选型,但本计算依然给出了MOS的参数计算。
五、参数计算
根据伏秒平衡原则计算电感感量,伏秒平衡原是Buck电源电路在稳定工作的情况下,电感感两端的正伏秒值与负伏秒值相等。这里需要注意的是电感的感量并不是元器件厂商所标数值,需要考虑制造精度、温度、电流等参数对电感参数的影响。
从效率计算结果可以看到,由于二极管等损耗的存在导致Buck电源电路的工作效率在65%-70%之间,实际工作中,由于电源管理芯片内部损耗、电感交流阻抗损耗以及磁损、直流电阻损耗的存在,实际的工做效率可能更低,大概在50%-60%左右。导致Buck电源效率降低的主要原因是二极管带来的损耗,解决这一问题的方法是采用同步Buck电源电路,即不使用二极管作为开关管关断期间的续流器件,二是采用一个低边Mos来代替二极管,在高边Mos关断时,主动打开低边Mos实现续流。
从频率补偿的结果可以看到,所选择的补偿器实现了①在穿越频率处,总的开环系统要有大于45°的相位裕量;②系统的开环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为-1,即-20Db/每十倍频程;③增益裕量是开环系统模的度量,裕量太小可能导致开环增益刚好通过-1点,一般留有6dB的裕量。满足设计要求。
结束语:本篇以实际项目中的ECU电控单元中的微处理器内核供电电路为例,详细的分析了电源电路的电感、二极管等元器件的参数计算方法,并对其环路补偿进行参数设计,理论验证环路补偿的可行性。到这里基本完成了Boost和Buck电源的分析和设计方法,下一步将结合基本的Buck-Boost进行分析和设计,欢迎大家关注和支持。