DC-DC電路設(shè)計(jì)技巧及器件選型原則

01概念及特點(diǎn)

1概念

DC-DC指直流轉(zhuǎn)直流電源（Direct Current）。是一種在直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值得電能的裝置。如，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換器能將一個(gè)直流電壓（5.0V）轉(zhuǎn)換成其他的直流電壓（1.5V或12.0V），我們稱這個(gè)轉(zhuǎn)換器為DC-DC轉(zhuǎn)換器，或稱之為開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)調(diào)整器。

DC-DC轉(zhuǎn)換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容器構(gòu)成。在討論DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能時(shí)，如果單針對(duì)控制芯片，是不能判斷其優(yōu)劣的。其外圍電路的元器件特性，和基板的布線方式等，能改變電源電路的性能，因此，應(yīng)進(jìn)行綜合判斷。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用有利于簡(jiǎn)化電源電路設(shè)計(jì)，縮短研制周期，實(shí)現(xiàn)最佳指標(biāo)等，被廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、路由器等通信領(lǐng)域和工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域。具有可靠性高、系統(tǒng)升級(jí)容易等特點(diǎn)，電源模塊的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。此外，DC-DC轉(zhuǎn)換器還廣泛應(yīng)用于手機(jī)、MP3、數(shù)碼相機(jī)、便攜式媒體播放器等產(chǎn)品中。在電路類型分類上屬于斬波電路。

2特點(diǎn)

其主要特點(diǎn)是效率高：與線性穩(wěn)壓器的LDO相比較，效率高是DCDC的顯著優(yōu)勢(shì)。通常效率在70%以上，效率高的可達(dá)到95%以上。其次是適應(yīng)電壓范圍寬。

A: 調(diào)制方式

1: PFM（脈沖頻率調(diào)制方式）

開(kāi)關(guān)脈沖寬度一定，通過(guò)改變脈沖輸出的頻率，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。PFM控制型即使長(zhǎng)時(shí)間使用，尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。

2: PWM（脈沖寬度調(diào)制方式）

開(kāi)關(guān)脈沖的頻率一定，通過(guò)改變脈沖輸出寬度，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。

B: 通常情況下，采用PFM和PWM這兩種不同調(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能不同點(diǎn)如下。

PWM的頻率，PFM的占空比的選擇方法。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到PWM控制。

02架構(gòu)分類

1常見(jiàn)的三種原理架構(gòu)

A、 Buck（降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）

圖1

B、Boost（升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）

圖2

C、Buck-Boost（升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）

圖3

2? BUCK電路工作原理詳解

圖4

伏秒平衡原則：處于穩(wěn)定狀態(tài)的電感，電感兩端的正伏秒積等于負(fù)伏秒積，即：電感兩端的伏秒積在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)必須平衡。

圖5

當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)：輸入電壓Vin加到LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。如下圖

圖6

當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)：由于電感上的電流不能突變，電感中存儲(chǔ)的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過(guò)二極管續(xù)流 ，在這個(gè)階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線。如下圖

圖7

03設(shè)計(jì)技巧及主要技術(shù)參數(shù)選用要求

DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件：

A.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。

B.DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。

1? 輸入/輸出電壓(Input &Output Voltage)：Vin/Vout

要按照器件的推薦工作電壓范圍選用，并且要考慮實(shí)際電壓的波動(dòng)范圍，確保不能超出器件規(guī)格。

2? 輸出電流(Output Current)：Iout

器件持續(xù)的輸出電流能力是一個(gè)重要的參數(shù)，選用時(shí)要參考此參數(shù)，并要保留一定的余量。

此參數(shù)的選取還要評(píng)估電路的瞬間峰值電流和發(fā)熱的情況，綜合來(lái)確定，并滿足降額要求。

3? 紋波(Output ripple)：Vpk-pk

紋波是衡量電路的輸出電壓波動(dòng)的重要參數(shù)。要關(guān)注輕載和重載紋波，一般輕載紋波要大。注意核電等場(chǎng)合下輕載紋波是否會(huì)超出要求。實(shí)際測(cè)試下各種場(chǎng)景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來(lái)測(cè)試。

4? 效率(Efficiency)

要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會(huì)影響待機(jī)功率，重載影響溫升。通?？?2V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。

5? 瞬態(tài)響應(yīng) (Transient response)

瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負(fù)載劇烈變化時(shí)系統(tǒng)是否能及時(shí)調(diào)整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。要求輸出電壓波動(dòng)越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。

實(shí)際要注意按推薦值選用反饋電容。常見(jiàn)取值在22p到120pF。

圖9

6? 開(kāi)關(guān)頻率(Switching Frequency)?：fsw

常用的開(kāi)關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開(kāi)關(guān)頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開(kāi)關(guān)損耗增加IC散熱設(shè)計(jì)要好，故主要集中在5V低壓輸入小電流的產(chǎn)品。開(kāi)關(guān)頻率關(guān)系到電感電容的選用，其它如EMC，輕載下噪音等問(wèn)題也與之有關(guān)。

7?反饋參考電壓及精度(Feedback Voltage &output accuracy)?：Vref

反饋電壓要與內(nèi)部的參考電壓相比較，配合外部的反饋分壓電阻，輸出不同電壓。不同產(chǎn)品的參考電壓會(huì)有不同，如0.6~0.8V，替換時(shí)注意調(diào)整反饋電阻。

反饋電阻要選用1%精度，只要根據(jù)廠家推薦來(lái)選，一般不要選的過(guò)大，以免影響穩(wěn)定性。

參考電壓精度影響輸出準(zhǔn)確度，常見(jiàn)精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會(huì)有差別。根據(jù)需要選擇。

8??線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度(line/load regulation)

線性穩(wěn)定度反應(yīng)輸入電壓變化輸出電壓穩(wěn)定性。負(fù)載穩(wěn)定度反應(yīng)輸出負(fù)載變化輸出電壓穩(wěn)定性。一般要求1%，最大不要超3%。

9??EN電平

EN高低電平要滿足器件規(guī)格要求，有些IC不能超出特定電壓范圍；電阻分壓時(shí)注意滿足及時(shí)關(guān)斷，并且考慮電壓波動(dòng)最大范圍內(nèi)要滿足。

由于時(shí)序控制的需要，該引腳會(huì)增加電容，為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電，同時(shí)要有對(duì)地電阻。

10??保護(hù)性能

要有過(guò)流保護(hù)OCP，過(guò)熱保護(hù)OTP等，并且保護(hù)后條件消失能自恢復(fù)。

11??其它

要求有軟啟動(dòng)；熱阻和封裝；使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。

04器件選型一般原則

普遍性

高性價(jià)比

易采購(gòu)生命周期長(zhǎng)

兼容和可替代

資源節(jié)約

降額

易生產(chǎn)和歸一化

05外圍器件選擇的要求

1.輸入電容：要滿足耐壓和輸入紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍以上輸 入電壓。注意瓷片電容的實(shí)際容量會(huì)隨直流電壓的偏置影響而減少。

2.輸出電容：要滿足耐壓和輸出紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍 。

紋波和電容的關(guān)系：

3.BST電容:按照規(guī)格書推薦值。一般0.1uF-1uF。耐壓一般要高于輸入電壓。

4.電感：不同輸出電壓的要求感量不同；注意溫升和飽和電流要滿足余量要求，一般最大電流的1.2倍以上（或者電感的飽和電流必須大于最大輸出電流＋0.5*電感紋波電流）。通常選擇合適的電感值L，使ΔIL占輸出電流的30% to 50%。計(jì)算公式：

5. VCC電容：按規(guī)格書 要求取值，不能減小，也不要太大，注意耐壓。

6.反饋電容：按規(guī)格書 要求取值，不同廠家芯片取值不同，輸出電壓不同也會(huì)有不同的要求。

7.反饋電阻和EN分壓電阻：要求按規(guī)格書取值，精度1%。

06PCB設(shè)計(jì)要求

1.輸入電容就近放在芯片的輸入Vin和功率的PGND，減少寄生電感的存在，因?yàn)檩斎腚娏鞑贿B續(xù)，寄生電感引起的噪聲對(duì)芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。電容地端增加過(guò)孔，減少阻抗。

2.功率回路盡可能的短粗，保持較小的環(huán)路面積，較少噪聲輻射。SW是噪聲源，保證電流的同時(shí)保持盡量小的面積，遠(yuǎn)離敏感的易受干擾的位置。如，電感靠近SW引腳，遠(yuǎn)離反饋線。輸出電容靠近電感，地端增加地過(guò)孔。

3.VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號(hào)地之間，盡量在一層，不要有過(guò)孔。

4.FB是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最常見(jiàn)原因 。

1)FB電阻連接到FB管腳竟可能短，靠近IC放置，減少噪聲的耦合；FB下分壓電阻通常接信號(hào)地AGND；

2)遠(yuǎn)離噪聲源，SW點(diǎn)，電感，二極管（非同步buck）；FB走線包地；

3)大電流負(fù)載的FB在負(fù)載遠(yuǎn)端取，反饋電容走線要就近取。

5.BST的電容走線盡量短，不要太細(xì)。

6.芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求，盡量在底下增加過(guò)孔散熱。

審核編輯 ：李倩