1、Switching Power Supply第1頁，共52頁。RegulationLine Regulation LIR=(Vo/Vo)*100%)/Vin 當輸入電壓變化時, 輸出電壓的變化率 單位: %/VLoad 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頁，共52頁。Condition of good powerLine Regulation 當輸入電壓變化時,輸出電壓變化率 Load Regulation 當輸出負載變化時, 輸出電壓變化率Wide Input VoltageEfficiencyPower D

2、ensity 單位體積,可以達到的瓦特數 Hold-up time 當輸出電壓off後, 輸出電壓可以維持的時間第3頁，共52頁。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頁，共52頁。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. Q

3、1不易熱3. Regulation 好缺點:1. 電路控制複雜2. Vout Ripple大第5頁，共52頁。Buck ConverterVinVin-VSW(Vin-VSW)*DLC Filter第6頁，共52頁。Buck converter Stage 1SW closed ; D視為開路 ; Vin 對電感 L 儲能 =第7頁，共52頁。Continue stage 1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+Vo+VSW 但VSW很小 故VL=Vin-Vo又 VL=L di/dt所以 Vin-Vo=

4、L IL/ton 第8頁，共52頁。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頁，共52頁。Continue stage 2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+VD 因為VD很小 故VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo=L IL/toff VD第10頁，共52頁。Combine stage1 and stag2根據伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin-Vo ; VL-t

5、off=Vo所以(Vin-Vo)*ton=Vo*toff=Vin*ton=Vo(ton+toff)所以Vo / Vin = ton / (ton+toff) = D(D為duty cycle 小於1 所以是降壓)第11頁，共52頁。Boost ConverterVinVin/(1-D)Vin+VL第12頁，共52頁。Boost converter stage 1SW Closed ; D是為開路; Vin對L儲能=第13頁，共52頁。Continue stage 1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+

6、VSW因為 VSW很小 故 Vin=VL又 VL= L di/dt所以 Vin=L iL/tonVSW第14頁，共52頁。Boost converter stage 2SW opened; VL電壓反向 ; 電感 L 對RL釋能=第15頁，共52頁。Continue stage 2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 Vout-Vin=L iL/toff+-VD第16頁，共52頁。Combine stage 1 an

7、d stage 2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duty cycle 小於1 所以是升壓)第17頁，共52頁。Buck-Boost ConverterVin-VswVL-D/(1-D)VinVin第18頁，共52頁。Buck-Boost converter stage 1=SW Closed; D是為開路; Vin對 L 儲能第19頁，

8、共52頁。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 VSW+-第20頁，共52頁。Buck-Boost Converter stage 2=SW Opened; VL電壓反向; D導通第21頁，共52頁。Continue stage 2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

9、 -VL=Vo又 VL=L di/dt所以 Vo= L IL/toff +-VD第22頁，共52頁。Combine stage1 and stage 2根據伏秒定律:電感 VL-ton*ton=VL-toff*toff又VL-ton=Vin ; -VL-toff=Vo所以Vin*ton=(-Vo)*toff=Vin*ton=-Vo*toff所以Vo/Vin= -ton/ toff =-D/1-D(當D0.5是負升壓 當D=0.5是一倍負壓)VLVinVottontoff第23頁，共52頁。Buck current waveform Buck ConverterIL=Vo/RLIL=Imax-I

10、min=ton*(Vin-Vo)/L.ton =toff*Vo/L.toff Ic=ILIc=ILID=ILID=IL 僅在OFF STATE 存在ImaxILIminImaxIcIminImaxIDImint第24頁，共52頁。Buck Output Voltage RippleQ=C*V=I*T=Q=C*Vo=Ic*TVo=Q/C=(1/2) *( T/2 *1/2 IL) 底* 高 =(1/8)*(T*IL)/CIctQT/2IL第25頁，共52頁。Boost current waveformBoost converterPi=Vin*Iin=Vin*ILPo=(Vo)2)/RL假設ef

11、ficiency=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頁，共52頁。Boost Output Voltage RippleQ =C*Vo=I*T =(Vo/RL)*ton=C*Vo =Vo=(Vo/RL)*ton/C =(Vo*ton)/(RL*C) -Vo/RLIcQt第27頁，共52頁。Buck-Boost CurrentBuck-Boost ConverterPi=Vin*Iin 又Iin=

12、D*IL所以 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頁，共52頁。Buck-Boost Output Voltage RippleQ =C*Vo=I*T =(Vo/RL)*ton=C*Vo =Vo=(Vo/RL)*ton/C =(Vo*ton)/(RL*C) -Vo/RLIcQ第29頁，共5

13、2頁。DiscussionBuck Vo=(1/8)*(T*IL)/C=IL/(8*f*C)Boost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)Buck-Boost Vo=(Vo*ton)/(RL*C)=(D*Vo)/(RL*C*f)Depend on f, C, Duty cycle, RL (忽略其它效應)第30頁，共52頁。How to choose the inductorBuck Regulator公式複習:1.VL=L di/dt=L=VL dt/di2. Vo/Vin=Ton/(Ton+Toff)=D第31頁，共52頁。Continue.BuckVL=

14、 L*di/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頁，共52頁。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*

15、IL =(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/f*IL.和eq1相同第33頁，共52頁。How to choose the inductorBoost Regulator公式複習:1. VL=L di/dt2. Vo/Vin=1/(1-D)第34頁，共52頁。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)*(V

16、o-Vin)/IL*f.eq1第35頁，共52頁。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頁，共52頁。How to choose the inductorBuck-Boost公式複習:VL= L di/dt2. Vo/Vin = D/(1-D) 第37頁，共52頁。Continue .Buck-Bo

17、ostSW ON Stage:VL=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頁，共52頁。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)/(

18、Vin+Vo)*f*IL).與eq1相同第39頁，共52頁。Discussion Buck L=(Vin-Vo)*(Vo/Vin)/ f*ILBoost L=(Vo-Vin)*(Vin/Vo)/f*ILBuck-Boost L=(Vo*Vin)/(Vin+Vo)*f*IL) Depend on Vin, Vo, f, IL第40頁，共52頁。Capacitor ESR What is the ESR? ESR=equivalent series resistor等效串聯電阻第41頁，共52頁。ESR Issue造成輸出電壓Ripple 增加 VESR=Io * RESR造成Overshoot

19、power on 或是Transient時, 瞬間有一spike, 造成系統不穩定降低POWER系統效率 損耗功率, 造成系統效率降低第42頁，共52頁。How to choose the Cout? Buck 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頁，共52頁。How to choose the Cou

20、t?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*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頁，共52頁。How to choose the Cout?Buck-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,

21、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45頁，共52頁。DiscussionReduce 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頁，共52頁。How to increase the efficiencyThe Loss of Power Regulator 1.

22、 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 reduce the loss, and increase the efficiency第47頁，共52頁。Conduction lossInductor = 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Switch = 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Flying 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.Capacitor= ESR 電容會有一等效串聯電阻ESR, 當電流充電時PLOSS=I2*R, 造成功率損失第48頁，共52頁。Ho