DC-DC電路設計技巧及器件選型原則

今天給大家分享的是：DC電路設計技巧及器件選型原則。

最早的時候，我們都是自己搭建電源供電電路，現(xiàn)在已經有很多集成芯片。 DC-DC電路在電子產品中也是隨處可見。 本文與大家分享一些DCDC電路設計的一些基本知識。

一、DC-DC概念及特點

DC-DC指 直流轉直流電源(Direct Current) ，是一種在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值的電能的裝置。

例如：通過一個轉換器能將一個直流電壓(5.0V)轉換成其他的直流電壓(1.5V或12.0V)，我們稱這個轉換器為DC-DC轉換器，或稱之為開關電源或開關調整器。

DC-DC轉換器一般由控制芯片，電感線圈，二極管，三極管，電容構成。

在討論DC-DC轉換器的性能時，如果單針對控制芯片，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，應進行綜合判斷。

DC-DC轉換器的使用有利于簡化電源電路設計，縮短研制周期，實現(xiàn)最佳指標等，被廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設備、通訊設備、儀器儀表、交換設備、接入設備、移動通訊、路由器等通信領域和工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等領域。

具有可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點，電源模塊的應用越來越廣泛。 此外，DC-DC轉換器還廣泛應用于手機、MP3、數(shù)碼相機、便攜式媒體播放器等產品中。 在電路類型分類上屬于斬波電路。

其主要特點是 效率高 ： 與線性穩(wěn)壓器的LDO相比較，效率高是DC-DC的顯著優(yōu)勢 。 通常效率在70%以上，效率高的可達到95%以上。 其次是適應電壓范圍寬。

二、DC-DC調制方式

1、PFM(脈沖頻率調制方式)

開關脈沖寬度一定，通過改變脈沖輸出的頻率，使輸出電壓達到穩(wěn)定。 PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。

2、PWM(脈沖寬度調制方式)

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

通常情況下，采用PFM和PWM這兩種不同調制方式的DC-DC轉換器的性能不同點如下：

PWM的頻率，PFM的占空比的選擇方法。 PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制。

三、DC-DC架構分類

DC-DC有三種常見的三種原理架構：

1、Buck(降壓型DC/DC轉換器)

Buck(降壓型DC/DC轉換器)

2、Boost(升壓型DC/DC轉換器)

Boost(升壓型DC/DC轉換器)

3、Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉換器)

Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉換器)

四、DC-DC電路設計技巧及主要技術參數(shù)選用要求

DC-DC電路設計至少要考慮以下條件：

外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。

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

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

2、輸出電流

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

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

3、紋波

紋波是衡量電路的輸出電壓波動的重要參數(shù)。 要關注輕載和重載紋波，一般輕載紋波要大。 注意核電等場合下輕載紋波是否會超出要求。 實際測試下各種場景負載下的情況。 通常選用示波器20M帶寬來測試。

4、效率

要同時關注輕載和重載兩種情況。 輕載會影響待機功率，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

瞬態(tài)響應特性反應負載劇烈變化時系統(tǒng)是否能及時調整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。 要求輸出電壓波動越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。

實際要注意按推薦值選用反饋電容。 常見取值在22p到120pF。

瞬態(tài)響應

6、開關頻率

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

7、反饋參考電壓及精度

反饋電壓要與內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。 不同產品的參考電壓會有不同，如0.6~0.8V，替換時注意調整反饋電阻。

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

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

8、線性穩(wěn)定度和負載穩(wěn)定度

線性穩(wěn)定度反應輸入電壓變化輸出電壓穩(wěn)定性。 負載穩(wěn)定度反應輸出負載變化輸出電壓穩(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; 電阻分壓時注意滿足及時關斷，并且考慮電壓波動最大范圍內要滿足。

由于時序控制的需要，該引腳會增加電容，為了電平調節(jié)和關斷放電，同時要有對地電阻。

10、保護性能

要有過流保護OCP，過熱保護OTP等，并且保護后條件消失能自恢復。

11、其它

要求有軟啟動，熱阻和封裝; 使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。

五、DC-DC電路器件選型一般原則

普遍性

高性價比

易采購生命周期長

兼容和可替代

資源節(jié)約

降額

易生產和歸一化

六、DC-DC電路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。 注意瓷片電容的實際容量會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倍紋波和電容的關系：

紋波和電容的關系

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%。 計算公式：

電感計算公式

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%。

七、DC-DC電路PCB設計要求

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，因為輸入電流不連續(xù)，寄生電感引起的噪聲對芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。 電容地端增加過孔，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，保證電流的同時保持盡量小的面積，遠離敏感的易受干擾的位置。 如，電感靠近SW引腳，遠離反饋線。 輸出電容靠近電感，地端增加地過孔。

3、VCC電容應就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號地之間，盡量在一層，不要有過孔。

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)定的最常見原因 。

FB電阻連接到FB管腳盡可能短，靠近IC放置，減少噪聲的耦合; FB下分壓電阻通常接信號地AGND;

離噪聲源，SW，電感，二極管(非同步buck); FB走線包地;

電流負載的FB在負載遠端取，反饋電容走線要就近取。

5、 BST的電容走線盡量短，不要太細。

6、 芯片散熱要按設計要求，盡量在底下增加過孔散熱。

審核編輯：湯梓紅