储能系统--BMS系统中的高压BUCK电路

一、Buck关键器件介绍

1、芯片选型

控制方式分类

优势

缺点

同步

1：效率高

2：MOS压降低

1：成本高

2：下官驱动复杂

异步

1：成本便宜

2：适合较高的输出电压

1：效率低

按照隔离方式分类

隔离电源

非隔离电源

优点

1：抗干扰能力强

2：安全性高

3：多路输出简单

1：体积小

2：设计简单

3：成本低

4：效率高

缺点

1：体积大

2：成本高

3：设计复杂难度大

4：效率低

1：抗干扰弱

2：多路输出困难

3：安全性能低

2、电感选型

（1）常见电感分类

外形分类

磁芯分类

（2）电感参数

（3）电感影响

电感过小——输出纹波大

电感过大——动态响应不好、自我谐振频率越低、内阻高效率低

一般来讲功率电感的自我谐振频率至少要切换频率的10倍以上，功率电感值越大则自我谐振频率越低。

电感值越大表示绕圈数越多内阻越高这会使得转换效率下降以及加大IR Drop。

电感太大，太小可能会改变DCDC的工作模式

电感值越大其Ripple越小，电流越稳定进而降EMI辐射干扰。

电感饱和后，电流会急剧增加，使电感温度升高，同时会影响其它元件的寿命

建议最大电流+△I要求小于电感饱和电流的80%

3、滤波电容选型

电解电容分类

"阻直流，通交流"是电容器的基本性质，频率越高，电容量越大，交流电越容易通过

电解电容寿命

电解液的消耗量与温度有关。众所周知，这种关系基本遵循被称为阿累尼乌斯定律的化学反应速度论。也就是说，当使用温度上升10℃时寿命缩短为二分之一，当使用温度下降10℃时寿命延长为2倍，这种关系也被称为10℃ 2倍定律。随着电解液的蒸发，静电容量就会降低（欠容量）。一般来说寿命为10年左右。另外，有时由于电解液的渗漏也会引起电路的绝缘下降。

●有极性施加反极性电压时，则可能自发热，或产生气体使内部压力上升造成破坏。

●纹波电流导致的自发热由于铝电解电容器的ESR (等值串联电阻)大，所以纹波电流（脉动电流）引起的热损失大，会导致自发热，缩短寿命。

●氧化膜的自我修复功能作为电介质使用的铝电解电容器阳极的氧化膜被施加反极性电压和超过额定电压的过电压时，氧化膜有可能产生缺陷。电解液由酸性成分和碱性成分构成，由于酸性成分的氧化作用，氧化膜的缺陷会得到修复。这一现象叫做自我修复功能。

●静电容量和ESR 的温度依赖性高如下图所示，在低温时静电容量的变化率大，且ESR 的值也大。

4、续流二极管选型

作用

当MOS管导通时，二极管截止，二极管中无电流流过。当MOS管关断时，由于电感中电流不能突变，所以此时二极管提供了一个续流回路，起到续流的作用。

二极管需求

1.反向电压额定值必须等于或大于VIN(max)

2.峰值电流额定值必须大于最大电感电流

3.低正向电压

4.合适的额定功率和导热系数

5.一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”。

二、BUCK设计过程

电感的计算首先需要明白的概念是电流纹波率。电流纹波率是在电源工作在CCM时所定义的一个概念，它是电感电流的交流分量与其相应的直流分量的比值。

BUCK电路设计需求	16串电池系统	参数
输入电压范围	Vin
输出电压	Vout
输出电流	Iout
电流纹波率	r
输入电压纹波	∆Vin
输出电压纹波	∆Vout
开关频率	Fsw

在开关导通的时候，电感两端电压是Vin-Vout。那么电感电流是线性增大的，因为L*di/dt=Vin-Vout，那么di/dt=(Vin-Vout)/L=常数。

在开关断开的时候，输出端电压为Vout，电感要续流，会产生反向电动势，二极管导通，那么电感右侧就是Vout，电感左侧接的是-Vd，所以此时电感两端电压是Vout+Vd。此时电感电流是线性减小的，因为L*di/dt=-Vd-Vout，di/dt=-(Vout+Vd)/L=常数

即一个周期内，电感电流增大量等于减小量。斜率与电压成正比，电感电流上升的高度与下降高度又相同，那上升时间不就和电压成反比了吗？

所以：Ton/Toff=(Vout+Vd)/(Vin-Vout) --伏秒平衡

T=Ton+Toff=1/Fsw --时间周期

可获得

Ton = (Vout+Vd)/（(Vin+Vd)*Fsw ）

Toff = (Vin-Vout)/（(Vin+Vd)*Fsw ）

D = (Vout+Vd)/(Vin+Vd)

电感计算

根据 U = L *di/dt

∆IL = di = (Vin-Vout)* Ton/L

∆IL= (Vin-Vout)* (Vout+Vd)/((Vin+Vd)*L*Fsw) --纹波电流

由此可见纹波电流的大小和输出电流无关.∆IL应该是Iout的30%-50%为宜。即： ∆IL=(0.3~0.5)*Iout

L = (Vin-Vout)* (Vout+Vd)/((Vin+Vd)*(0.3~0.5)*Iout*Fsw)

--电感

Lpk=Iout+△IL/2=Iout+△IL/2。 --峰值电流

输出电容

在已知电感上的纹波电流 ∆IL 和输出电容 ESR 的情况下，输出电容ESR纹波电压分量可以表示如下：

∆Vout_esr = ∆IL *ESR_cout --电容ESR纹波

电容纹波

∆Vout_c = Vout_max-Vout_min =∆IL/(8*Cout*Fsw)

∆Vout = ∆Vout_esr + ∆Vout_c ---输出纹波电压

总结

（1）首先，要满足电路设计需求中的动态响应（负载调整率的要求），即负载由“轻”到“重”时，为负载提供足够的能量，而不使输出电压产生较大的下冲（undershoot），即负载变化时输出电压的变化量不超过目标值。（2）其次，当负载由“重”到“轻”时，能够吸收功率电感上储存的能量，而不使输出电压产生较大的上冲（overshoot），即将输出电压上的过冲抑制在设计需求之内。（3）再次，要满足电路设计需求中的纹波电压范围，将纹波电压“钳位”在设计需求之内。（4）最后，所选型的电容，容值、ESR和均方根电流都要满足设计需求。（5）由于陶瓷电容MLCC的ESR参数通常小到可以忽略，所以输出端电容类型只有陶瓷电容MLCC的话，可以忽略ESR和RMS电流这两个参数。更低ESR，X5R或更好材质的陶瓷电容，钽电解电容或铝电解电容。一般来说，ESR大小顺序是，陶瓷电容 < 钽电解电容 < 铝电解电容。

输入电容

∆Vin= Iout*（ESR_CIN+D/(1-D)/C_IN*Fsw） --输入纹波

其中，C_IN 是输入电容，ESR_CIN 是输入电容的等效串联电阻参数[Ω]，Fsw是开关频率[Hz]，Iout是负载电流[A]，D是降压电路CCM模式下的占空比[无量纲]。

总结

实际应用中减小输入纹波电压的两种方法：增大输入端电容 C_IN 的容值、并联低ESR的陶瓷电容，以达到减小输入端整体ESR，从而减小输入纹波电压的目的。另外，输入电容在 PCB Layout 方面最优的摆件方案是：所有输入电容尽量靠近输入电源引脚、从远到输入电源引脚的电容值依次是从大到小（也就是先过滤低频纹波，再过滤高频纹波）。

三、BUCK工作模式

根据BUCK电路在一个开关周期内，其电感上的的电流是否连续，

将BUCK电路工作模式大概可分为四种：连续模式（CCM）、临界模式（BCM）、非连续导通模式（DCM）、强制连续导通模式（FCCM）。

CCM -连续导通模式(Continuous Conduction Mode)：在一个开关周期内，电感电流不会达到0A，一直流动，不中断。或者说电感从不“复位”在开关周期内电感磁通不会到0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。

当 Iout>∆iL/2 时，降压电路工作在CCM模式；

BCM-边界导通模式(Boundary Conduction Mode)：在一个开关周期结束时，电感电流恰好为0。由控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于0，功率开关管立即闭合；控制器监测到电感电流“复位”时立即激活开关；若电感值电流高，而截至斜坡比较平缓，就将开关周期延长；所以BCM是变频系统，BCM是临界导通模式或CRM（Critical Conduction Mode）。

当 Iout=∆iL/2 时，降压电路工作在BCM模式；

DCM-非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode)：开关周期还未结束时，电感电流就降为0，电感被适当“复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。

当 Iout<∆iL/2 时，降压电路工作在DCM模式

FCCM-强制连续导通模式(Force Continuous Conduction Mode)：在同步Buck中，用MOSFET替代了二极管，当下管MOSFET导通时，电流从负载瞬间移除，但此时的输出电容在反向放电，负电流由此产生，当输出电流减小时，变换器不会切换到DCM模式，而是转换到强制连续导通模式（FCCM）

四、BUCK选择需求

输入/输出电压-Input&Output Voltage

DCDC芯片推荐的工作电压范围，一般耐压要求1.5~2倍。选型时不能超出范围，同时还要考虑实际使用时的电压波动情况；另外用作一级Buck的还应考虑浪涌等情况，

输出电流-Output Current

DCDC芯片的持续输出电流能力，选型时要根据实际需要选用，并考虑瞬间峰值电流以及发热情况，需要保留一些余量，满足降额。

纹波-Output ripple

表征输出电压波动的重要指标；轻载和重载下的纹波需要重点关注，一般轻载下纹波要大，要注意纹波是否超标，尤其是轻载情况；最好实际测量各负载情况下的纹波，一般选用示波器20M带宽、×1、地环就近接地测量。

效率-Efficiency

需要关注轻载和重载两种场景下的效率，轻载影响待机功率，重载影响温升

瞬态响应-Transient response

瞬态响应特性是负载剧烈变化时，系统稳定输出电压的能力，要求输出电压波动越小越好，一般要求在峰峰值10%以下

开关频率-Switching Frequency