電路設計專欄 — Buck Part2 電路零件功能

【請點我參閱 Buck Part1 電路專有名詞】【請點我參閱 Buck Part3 電路印刷電路板設計】【請點我參閱 Buck Part4 電路穩定補償】

零件選用符合電氣特性、可靠度、成本與交期。成本與市場趨勢有關，此處暫時不談。

降壓式電路

Buck控制 IC：非隔離降壓式直流電源轉換，並且透過迴授機制調整穩定輸出電壓。

輸入濾波器：包含輸入電感與輸入電容，抑除輸入電壓端的雜訊。

• 輸入電感 (L_IN)：隔離每組 Buck 線路，抑制該組切換雜訊進入輸入電壓，非必要性零件。
• 輸入電容 (C_IN)：Buck輸入紋波電流大於輸出紋波電流，注意輸入電容耐紋波能力、溫升、可靠度 (壽命)。

開關功率晶體：透過開關控制對輸出電感儲能、釋能以調制輸出電壓。

• 上行功率晶體 (Upper MOS)：導通則對輸出電感儲能，此段時間比例稱為 Duty (D)。
• 下行功率晶體 (Lower MOS)：導通則提供一個路徑，讓輸出電感釋能，此段時間比例稱為 (1-D)。
• Dead Time 蕭特基二極體：為了避免上行及下行功率晶體同時導通Shoot-Through，會有一小段時間上下同時不導通 (Dead Time)，在 Dead Time 輸出電感釋能路徑走與 Lower MOS 並聯的 Schottky ₍V_F = 0.2 ~ 0.4V)，降低走Lower MOS Body Diode (V_F  ≒ 1 V) 的 Loss。
• 汲極源極導通阻抗 (R_DS,ON)：提供電流偵測選擇之一，但注意此參數隨著溫度變化大。

抑制切換雜訊及EMI：

• Gate R：控制 Upper & Lower MOS 的驅動能力，使 MOS 效率與 EMI 找到平衡點。
• Snubber RC：Snubber C 吸收 Spike，再透過 Sunbber R 消耗 Spike 能量。

輸出濾波器：包含輸出電感與輸出電容，除了控制紋波電流及電壓外，須注意在電壓迴授控制模式下，輸出濾波器會產生 Double Pole，造成不穩定。詳情請參考 Buck Part4 電路穩定補償。

• 輸出電感(L_OUT)：透過 Upper & Lower MOS 開關做儲能及釋能，而過程會衍生輸出紋波電流。電感量越大，遏制輸出紋波電流 (I_OUT,RIPPLE) 能力越強，相對可以降低輸出紋波電壓 (V_OUT,RIPPLE)。但電感量過大，抗電流變化能力越強，有可能造成因應轉態 (Transient) 能力變差。
• 輸出電感直流阻抗 (DCR) 電流偵測：提供電流偵測選擇之一，相對誤差比 R_DS,ON 小。
• 輸出電容(C_OUT)：輸出電容串聯阻抗 (ESR) 越小，可以降低輸出紋波電壓。而串聯阻抗越大，則對穩定有幫忙。另外輸出電容 ESR & ESL (串聯等效電感) 也會影響轉態輸出電壓 (V_transient) 的Drop深度。輸出電容量越大，對轉態也有所幫忙。

穩定電路補償：
包含 Type 2 or 3 Compensation。詳情請參考 (Buck Part4電路穩定補償) 。

電氣特性品質指標：

• V_OUT,RIPPLE (輸出紋波電壓)：與切換頻率、輸出電感量、輸出電容量、輸出電容串聯等效電阻、輸出電容串聯等效電感有關，當使用有極性電容，例如鋁捲繞電解電容，因為ESR的影響程度較大，固可忽略電容量及ESL的影響，假設使用MLCC，則須同時考慮C, ESR & ESL。
• V_{OUT,TRANSIENT} (轉態輸出電壓)：與迴授頻寬 (BW) & 增益 (Gain)、輸出電容量、輸出電容量 & ESR & ESL、輸出電感量有關。

V_OUT,RIPPLE、V_{OUT,TRANSIENT}示意圖

• Stable (穩定)：操作在負迴授。一般期望Gain切於0 dB屬於-20 dB斜率 (或稱-1斜率)，且 Buck Phase Margin ＞ 45°。
• Phase Margin (相位預留度)：切 Gain 0 dB，離 -180° 還有幾度，在 Buck 期望 ＞ 45°。
• Gain Margin (增益預留度)：切 Phase -180°，Gain負多少dB，期望6 dB < |GM|。
• Bandwidth (頻寬)：切 Gain 0 dB的頻寬。

Stable：Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth示意圖

其它參數：

• EMI (電磁干擾)：EMI有傳導、輻射兩種方式產生，常見有 Class A & B 兩種等級。可透過 Layout 結構性、輸入濾波器、Upper & Lower MOS 控制、Snubber RC 等方式管理 Buck線路 EMI。
• Efficiency (效率)：跟 Power Tree、同步 vs 非同步、選料等有極大關係。另外在一般負載下使用 PWM 模式，當輕載時可能進入到 PFM 模式。這衍生其它的特性，例如：Thermal (熱)、可靠度 & 壽命等議題。

還有部分零件例如電源電感及積層陶瓷電容零件可能產生人耳聽得道的噪音。