DC-DC電路設計技巧及主要技術參數選用要求

01. 概念及特點

1.概念：

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€電壓值得電能的裝置。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，電容器構成。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。

2.特點：

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DCDC的顯著優(yōu)勢。通常效率在70%以上，重載下高的可達到95%以上。其次是適應電壓范圍寬。

A: 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。

B: 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。

02. 架構分類

1）常見的三種原理架構：

A、 Buck（降壓型DC/DC轉換器）

圖1

B、Boost（升壓型DC/DC轉換器）

圖2

C、Buck-Boost（升降壓型DC/DC轉換器）

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伏秒積，即：電感兩端的伏秒積在一個開關周期內必須平衡。

圖5

當開關導通時：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

當開關關斷時：由于電感上的電流不能突變，電感中存儲的能量向負載釋放,電感電流通過二極管續(xù)流 ，在這個階段，電流波形是一條斜率為負的斜線。如下圖

圖7

圖8

03. 設計技巧及主要技術參數選用要求

DC-DC電路設計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，并且要考慮實際電壓的波動范圍，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重要的參數，選用時要參考此參數，并要保留一定的余量。

此參數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(Output ripple)：Vpk-pk

紋波是衡量電路的輸出電壓波動的重要參數。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(Efficiency)：

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 (Transient response)：

瞬態(tài)響應特性反應負載劇烈變化時系統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。

圖9

6.開關頻率(Switching Frequency)：fsw

常用的開關頻率多數在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(Feedback Voltage &output accuracy)：Vref

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。根據需要選擇。

8.線性穩(wěn)定度和負載穩(wěn)定度(line/load regulation)：

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。

04. 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

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：

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：

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%。

06. 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，是引起系統不穩(wěn)定的最常見原因 。

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地AGND；

2)遠離噪聲源，SW點，電感，二極管（非同步buck）；FB走線包地；

3)大電流負載的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。

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