DCDC的基礎(chǔ)知識(shí)

1.DC-DC簡介

DC-DC是英語直流變直流的縮寫。所以DC-DC電路是某直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌妷褐档碾娐?。DC-DC是開關(guān)電源技術(shù)的一個(gè)分支。這里說的DC-DC是指開關(guān)電源芯片。

開關(guān)電源，指利用電容、電感的儲(chǔ)能的特性，通過可控開關(guān)（MOSFET等）進(jìn)行高頻開關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容（感）里，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開關(guān)的周期的比值）有關(guān)。

開關(guān)電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產(chǎn)品有兩種。一種為電容儲(chǔ)能DC-DC，一種為電感儲(chǔ)能DC-DC。主要講電感儲(chǔ)能DC-DC。

2.DC-DC的原理

1、降壓DC-DC：BUCK

BUCK型DC-DC主要用于降壓，其原理如圖1，開關(guān)管Q1打開時(shí)，Vin通過L1給負(fù)載供電，L1中儲(chǔ)藏電能，當(dāng)Q1閉合時(shí)，當(dāng)在L1內(nèi)上會(huì)感應(yīng)出反向的電動(dòng)勢，極性是左負(fù)右正，此時(shí)電感通過二極管D1給負(fù)載供電。輸出的電壓跟占空比D有關(guān)：Vout=Vin*D

圖1

該電路中由于頻繁開關(guān)作用，所以要求二極管D1具有極高的回復(fù)速度，考慮到效率，該二極管還要具有低的正向?qū)妷?，一般選用肖特基二極管。

同步整流技術(shù)

同步整流是采用動(dòng)態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高DC／DC變換器的效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系，其導(dǎo)通電阻極小。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

同步整流示意圖

2、升壓DC-DC:BOOST

BOOST型DC-DC主要用于升壓電路，其原理如圖2，當(dāng)開關(guān)管Q1閉合時(shí)，二極管D1截止，電流流經(jīng)電感L1和開關(guān)管Q1，此時(shí)電容Cout給負(fù)載供電，當(dāng)開關(guān)管Q1斷開時(shí)，L1上產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢，極性是左負(fù)右正，此時(shí)Vin和L1上的電動(dòng)勢疊加通過二極管給負(fù)載供電，同時(shí)給Cout充電。輸出的電壓同樣跟占空比D有關(guān)：Vout=Vin/(1-D)

圖2

3、BUCK/BOOST

BUCK/BOOST型DC-DC既可用于降壓，也可用于升壓，其原理如圖3所示，該類型電壓輸出：Vout=Vin*D/(1-D)

圖3

3.DC-DC與LDO的區(qū)別

1、兩者的效率不同,DC-DC的效率一般要高于 LDO,這是其工作原理決定的；

2、DC-DC有Boost、Buck、Boost/Buck，而LDO只有降壓型；

3 、DC-DC存在開關(guān)噪聲和EMI問題，而LDO一般不會(huì)存在該問題；

4、LDO設(shè)計(jì)簡單，只需一個(gè)輸入和一個(gè)輸出電容，外圍元器件少，所占PCB的面積較小，而DC-DC一般需要電感、二極管等，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，所占PCB的面積較大；

5、DC-DC可以輸出較大的電流，而LDO輸出電流較?。?/p>

6、DC-DC比LDO要貴

4.DC-DC設(shè)計(jì)指導(dǎo)

*在設(shè)計(jì)電源模塊的時(shí)候，第一時(shí)間要把該電源IC的datasheet資料下載好，查看里面的說明；

*下面以一款DC/DC轉(zhuǎn)換IC為例；開始布局前先看下IC的特性說明，如圖

4：注意其中關(guān)于輸出電流值的說明，這里最大輸出電流為1A，設(shè)計(jì)的時(shí)候過孔的數(shù)目是根據(jù)電流大小來決定的。

圖4

*看下該IC的典型電路和管腳分配，如圖5：

圖5

圖5左下角為分壓電路計(jì)算公式，能很容易根據(jù)反饋電壓計(jì)算出輸出電壓。

*然后看下datasheet中關(guān)于管腳的說明和注意要點(diǎn)，如圖6：

圖6

>1pin為使能腳；

>2pin為地腳；

>3pin為電源輸出腳；

>4pin為電源輸入腳；

>5pin為反饋腳，提供反饋電壓；

*最重要的一步，要仔細(xì)查看datasheet中是否提供了布局指導(dǎo)。Layout Guide為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)參考布局，是經(jīng)過官方驗(yàn)證過的。如圖7

圖7

*實(shí)際上，通過一些layout guide能總結(jié)出一些電源設(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)，如圖8

圖8

*圖9中設(shè)計(jì)包含以下問題需要改善：

圖9

1. 輸入處電流過孔數(shù)目不夠，且最好打在電容右側(cè)；

2. 反饋線太細(xì)，建議走15mil粗線，連到輸出端最后一個(gè)電容，不要直接連在電感；

3. 1腳為使能腳，不需要鋪銅；

4. 0402小電容建議十字花連接；

5. 輸入輸出回路太大，可以改變布局讓其共地，縮小環(huán)路面積；

*經(jīng)過改善后的布局如下，圖10

圖10

5.參數(shù)的選擇

1、電感器的選擇

隨著開關(guān)的打開和閉合，升壓電感器會(huì)經(jīng)歷電流紋波。一般建議紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的 20％。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關(guān)電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。

電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式 1 所示，較高的VIN或VOUT也會(huì)增加紋波電流。電感器當(dāng)然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關(guān)電流。

等式 1

由公式可以得出：

（1） 開關(guān)頻率越高，所需的電感值就可以減??；

（2） 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應(yīng)的增大，電流變化速度也減慢。

為了避免電感飽和，電感的額定電流值應(yīng)該是轉(zhuǎn)換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。如圖11

圖11

2、輸入電容的選擇

因?yàn)?buck 有跳躍的輸入電流，需要低 ESR 的輸入電容，實(shí)現(xiàn)最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負(fù)載時(shí)的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容 RMS 紋波電容范圍應(yīng)該滿足應(yīng)用需求。

陶瓷電容具有低 ESR 值，表現(xiàn)出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對瞬時(shí)電壓不敏感。

3、輸出電容的選擇

輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會(huì)直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。

輸出電壓紋波是由輸出電容的 ESR 引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和

審核編輯：湯梓紅