DC/DC設(shè)計(jì)原理、經(jīng)驗(yàn)與應(yīng)用技巧總結(jié)

“綠色”系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)不僅意味著必須采用環(huán)保元器件，還對(duì)電子產(chǎn)業(yè)提出了節(jié)能的挑戰(zhàn)。能源之星（EnergyStar）和80+等組織都已針對(duì)各式消費(fèi)電子（特別是計(jì)算類）頒布了相關(guān)規(guī)范。對(duì)當(dāng)前的消費(fèi)者而言，更長(zhǎng)的電池壽命也是個(gè)十分吸引的特性。因此，更長(zhǎng)的電池壽命、更小的外形尺寸及各國(guó)政府推出的新法規(guī)都在要求必需謹(jǐn)慎選擇電源元件，尤其是對(duì)板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這表示著新平臺(tái)的功率密度、效率和熱性能必須大幅提高。

眾所周知，設(shè)計(jì)理想的DC-DC轉(zhuǎn)換器涉及到眾多權(quán)衡取舍。功率密度的提高通常意味著總體功耗的增加，以及結(jié)溫、外殼溫度和PCB溫度的提升。同樣地，針對(duì)中等電流到峰值電流優(yōu)化DC/DC電源，幾乎也總是意味著犧牲輕載效率，反之亦然。本人結(jié)合自己十多年的DC-DC應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，談?wù)凞C-DC轉(zhuǎn)換器的基本原理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技巧。

DC-DC就是直流-直流變換，一般有升壓（BOOST）、降壓（BUCK型）兩種。降壓式DC/DC變換器的輸出電流較大，多為數(shù)百毫安至幾安，因此適用于輸出電流較大的場(chǎng)合。降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖1所示。VT1為開關(guān)管，當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Vi通 過電感L1向負(fù)載RL供電，與此同時(shí)也向電容C2充電。在這個(gè)過程中，電容C2及電感L1中儲(chǔ)存能量。當(dāng)VT1截止時(shí)，由儲(chǔ)存在電感L1中的能量繼續(xù)向 RL供電，當(dāng)輸出電壓要下降時(shí)，電容C2中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1為續(xù)流二極管，以便構(gòu)成電路回路。輸出的電壓Vo經(jīng)R1和 R2組成的分壓器分壓，把輸出電壓的信號(hào)反饋至控制電路，由控制電路來控制開關(guān)管的導(dǎo)通及截止時(shí)間，使輸出電壓保持不變。

圖1、降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路

DC-DC設(shè)計(jì)技巧

一．DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件：

1.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。

2. DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。

二．基于以上兩點(diǎn)選擇PWM IC要考慮：

1. PWM IC的最大輸入電壓。

2.PWM開關(guān)的頻率，這一點(diǎn)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的效率。對(duì)儲(chǔ)能電感，電容的大小的選擇也有一定影響。

3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率，如果DC-DC IC內(nèi)部自帶MOS，只需要考慮IC輸出的額定電流。

4. MOS的開關(guān)電壓Vgs大小及最大承受電壓。

三．電感（L1），二極管（CR1），電容（C2）的選擇

1. 電感量：大小選擇主要由開關(guān)頻率決定，大小會(huì)影響電源紋波；額定電流，電感的內(nèi)阻選擇由系統(tǒng)功耗決定。

2. 二極管：通常都用肖特基二極管。選擇時(shí)要考濾反向電壓，前向電流，一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍，前向電流為輸出電流的兩倍。

3. 電容：電容的選擇基于開關(guān)的頻率，系統(tǒng)紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內(nèi)部的等效電阻決定紋波大?。ó?dāng)然和電感也有關(guān)）。

如何得到一個(gè)電源紋波相對(duì)較小、對(duì)系統(tǒng)其他電路干擾相對(duì)較小，而且相對(duì)穩(wěn)定可靠的DC-DC電路，需要對(duì)以上電路的原理做如下修改：

1.輸入部分：電源輸入端需要加電感電容濾波。目的：由于MOS管的開關(guān)及電感在瞬間的變化會(huì)造成輸入電源的波動(dòng)，尤其是在系統(tǒng)耗電波動(dòng)較大時(shí)，影響更為明顯。

2.輸出部分：

（1）假定C2的選擇的100uF是正確的，我們想得到更小的紋波，可以將100uF的電容改成兩顆47uF的電容（基于相同類型的電容）；如果100uF電容采用的是鋁電解，可以在原來的基礎(chǔ)上加一顆10uF的磁片電容或鉭電容。

（2） 在輸出端再加一顆電容和一顆電容對(duì)原來的電源做一個(gè)LC濾波，會(huì)得到一個(gè)紋波更小的電源。

PCB布線時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：

1. 輸入電源與MOS的連線要盡可能的粗。

2. Vgs也要粗一點(diǎn)，千萬不要以為粗細(xì)沒關(guān)系，（注：一般系統(tǒng)功率相對(duì)較低時(shí)，輸出電流不大，粗細(xì)的影響不明顯）關(guān)鍵時(shí)刻會(huì)影響電源的穩(wěn)定性。

3. CR1， L1盡量靠近Q1。C2盡量靠近L1。

4. 反饋電阻的線盡量遠(yuǎn)離電感L1。

5. 反饋電壓的地與系統(tǒng)的地盡量的近，保持在一個(gè)電位上。

6. CR1的地線千萬要粗，在MOS的打開的時(shí)間里，L１的電流是由ＣＲ１的通路提供，即由地流向Ｌ１。

DC-DC應(yīng)用技巧

在常見的DC/DC變換器中，有很多的應(yīng)用技巧是不為工程師所掌握的。 現(xiàn)拿 UTC P3596應(yīng)用電路來作一個(gè)說明，與諸位分享交流：

DC-DC應(yīng)用技巧一

當(dāng)我們用這個(gè)電路做好 Buck 以后，電感量達(dá)到其 Spec. 的要求，卻發(fā)現(xiàn)負(fù)載調(diào)整率過低。這種情況下，很多同學(xué)都認(rèn)為芯片品質(zhì)問題等等。 其實(shí)由于芯片的半導(dǎo)體工藝不能使內(nèi)部的運(yùn)放的帶寬（bandwidth）做的很大。所以我們所做的要么就是屏蔽內(nèi)部的運(yùn)放（象我們常見的384X電路 1，2pin的連接方法）;要么就是外部來補(bǔ)償，在 R1 上并一個(gè)無極性電容加速內(nèi)部運(yùn)放對(duì)輸出電壓的反應(yīng)。

分析也不是僅針對(duì)UTC P3596 的芯片，適用于全部的DC/DC，及其它的開關(guān)電源。

開關(guān)電源作為一個(gè)反饋系統(tǒng)，當(dāng)我們選用一個(gè)運(yùn)放來做PID（比例積分微分），而我們選用運(yùn)放要求的帶寬要有足夠的大，相應(yīng)的相位裕度也比較大（當(dāng)然在一定的性價(jià)比條件下）。 用于適應(yīng)響應(yīng)反饋中采樣的低頻至高頻的信號(hào)！

我們做低成本的充電器，可以用穩(wěn)壓管。 功率再大一些，就選用 TL431（內(nèi)部一個(gè)運(yùn)放加晶體管）。 對(duì)于精度要求更好的，我們肯定不會(huì)用TL431或穩(wěn)壓管。 呵呵~~~~ 結(jié)論還是自己分析會(huì)比較好?。?！ 對(duì)于很多開關(guān)電源工程師來說，一但調(diào)試搞不定，就會(huì)說補(bǔ)償沒調(diào)好/變壓器沒繞好~~~ 原因?yàn)楹危?/p>

我們首先看一下，UC384X 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（注意看1/2腳之間的運(yùn)放）：

如果我們把2腳接地，用1腳作為反饋端;這實(shí)際上，就是把這個(gè)內(nèi)部的運(yùn)放接成一個(gè)跟隨器。就是把這個(gè)運(yùn)放給屏蔽了！

DC-DC應(yīng)用技巧二

在很多情況下，突然撤去負(fù)載或輸入時(shí)，導(dǎo)致 Buck 電路內(nèi)部的MOSFET 損壞。

分析原因：基本上是輸出級(jí)的能量無處泄放，一種是自然放電，一種就會(huì)反灌！

基本上解決的方法就是在這樣的 Buck 電路中，輸入級(jí)至輸出級(jí)反方向接一個(gè)二極管。

延伸：為什么我們?cè)陂_關(guān)電源中所應(yīng)用的MOSFET 中會(huì)集成一個(gè)反向的體二極管啦！同樣我們?cè)谟?VR（7805/7808 etc.）盡量會(huì)加一個(gè)反向二極管。

DC-DC應(yīng)用技巧三

也有很多人說，短路電流大或者短路效果不明顯。

碰到這樣的可以嘗試換一個(gè)線徑來繞制這個(gè)電感，因?yàn)椴煌木€徑在相同的磁環(huán)（磁棒）上都可以繞制到需求的電感量。但不同的線經(jīng)會(huì)產(chǎn)生不同的 ESR（等效電阻），而這個(gè)電阻是總負(fù)荷的一部分！