轻松玩转DC-DC电路

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概念及特点

（1）概念

DC-DC指直流电源的直流转移（Direct Current）。它是一种将一个电压值的电能转换为另一个电压值的装置。例如，直流电压可以通过转换器(5).0V）转换为其他直流电压(1).5V或12.0V），我们称这个转换器为DC-DC转换器，或称为开关电源或开关调节器。

DC-DC转换器一般由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管和电容器组成。DC-DC在转换器的性能时，如果只针对控制芯片，则无法判断其优缺点。其外围电路的组件特性和基板的布线方式可以改变电源电路的性能，因此应进行综合判断。

DC-DC转换器的使用有利于简化电源电路设计，缩短开发周期，实现最佳指标，广泛应用于电力电子、军事、科研、工业控制设备、通信设备、仪器、交换设备、接入设备、移动通信、路由器等通信领域和工业控制、汽车电子、航空航天等领域。电源模块具有可靠性高、系统升级容易等特点，应用越来越广泛。此外，DC-DC转换器也广泛应用于手机，MP3.数码相机、便携式媒体播放器等产品。斩波电路属于电路类型分类。

（2）特点

其主要特点是效率高：线性稳压器LDO相比之下，效率高DCDC显著优势。一般效率在70%以上，效率高的可达95%以上。二是适应电压范围宽。

A：调制方式

1：PFM(脉冲频率调制)

通过改变脉冲输出频率，开关脉冲宽度一定，使输出电压稳定。PFM即使长期使用控制型，特别是在小负荷下，也具有耗电量小的优点。

2：PWM(脉冲宽度调节)

通过改变脉冲输出宽度，确定开关脉冲的频率，使输出电压稳定。PWM控制效率高，输出电压纹波和噪声好。

B：通常，使用PFM和PWM这两种不同的调制方法DC-DC转换器的性能差异如下。

PWM的频率，PFM选择占空比的方法。PWM/PFM实现小负荷转换PFM在重载时自动转换控制PWM控制。

架构分类

（1）三种常见的原理结构

A、 Buck（降压型DC/DC转换器）

图1

B、Boost（升压型DC/DC转换器）

图2

C、Buck-Boost（升降压型DC/DC转换器）

图3

（2）BUCK详细说明电路工作原理

图4

伏秒平衡原理:电感处于稳定状态，电感两端的正伏秒积等于负伏秒积，即电感两端的伏秒积必须在开关周期内平衡。

图5

输入电压Vin加到LC在滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。如下图所示：

图6

当开关断开时：由于电感上的电流不能突变，电感中储存的能量释放到负载中，电感电流通过二极管流动 ，在这个阶段，电流波形是一条斜率为负的斜线。如下图所示：

图7

选择设计技能和主要技术参数

DC-DC至少应考虑以下条件：

A、输入电源电压的范围，输出电流的大小。

B、DC-DC输出电压、电流、系统功率最大值。

（1） 输入/输出电压 (Input &Output Voltage)：Vin/Vout

根据设备推荐的工作电压范围选择，并考虑实际电压的波动范围，以确保不超过设备规格。

（2） 输出电流(Output Current)：Iout

设备的连续输出电流能力是一个重要的参数，选择时应参考此参数，并保留一定的余量。

本参数的选择还应评估电路的瞬时峰值电流和加热情况，综合确定并满足降额要求。

（3） 纹波(Output ripple)：Vpk-pk

纹波是衡量电路输出电压波动的重要参数。注意轻负荷和重负荷纹波。一般来说，轻负荷纹波较大。注意轻负荷纹波在核电等场合是否超过要求。在各种场景负载下的实际测试。通常选择示波器20M测试带宽。

（4） 效率(Efficiency)

同时要注意轻载和重载。轻载会影响待机功率，重载会影响温升。通常看12V输入，5V输出下10mA效率一般在80%以上。

（5） 瞬态响应 (Transient response)

当瞬态响应特性反应负载发生剧烈变化时，系统是否能及时调整，以确保输出电压的稳定性。输出电压波动越小越好峰值一般在10%以下。

实际上，应注意根据推荐值选择反馈电容器。常见值为22p到120pF。

图9

（6） 开关频率(Switching Frequency) ：fsw

大多数常用的开关频率为500kHz以上。高开关频率1.2M到2M还有，由于频率高，开关损耗增加IC散热设计好，主要集中在5V低压输入小电流产品。开关频率与电感电容器的选择有关，其他如EMC，轻载下噪声等问题也与之有关。

（7）反馈参考电压及精度：Vref

与内部参考电压相比，反馈电压应与外部反馈分压电阻相结合，输出不同的电压。不同产品的参考电压会有所不同，如0.6~0.8V，更换时注意调整反馈电阻。

反馈电阻要选用1%精度，只要根据厂家推荐来选，一般不要选的过大，以免影响稳定性。

参考电压精度影响输出精度，常见精度低于2%，如1%~1.根据需要选择精度高的产品成本会有差异。

（8）EN电平

EN高低电平应满足设备规格的要求IC不得超过特定电压范围；注意及时关闭电阻分压，并考虑电压波动的最大范围。

由于时间控制的需要，引脚会增加电容，以调节和关闭放电，并有对地电阻。

（10） 保护性能

过流保护OCP，过热保护OTP保护后条件消失，可自行恢复。

（11） 其它

要求软启动；热阻和包装；使用温度范围应覆盖高低温等。

器件选型一般原则

✔ 普遍性

✔ 高性价比

✔ 易采购生命周期长

✔ 兼容和可替代

✔ 资源节约

✔ 降额

✔ 易生产和归一化

外围器件选择的要求

1、输入电容：要满足耐压和输入纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍以上输 入电压。注意瓷片电容的实际容量会随直流电压的偏置影响而减少。

2、输出电容：要满足耐压和输出纹波的要求。一般耐压要求1.5~2倍 。

纹波和电容的关系：

3、BST电容：按照规格书推荐值。一般0.1uF-1uF。耐压一般要高于输入电压。

4、电感：不同输出电压的要求感量不同；注意温升和饱和电流要满足余量要求，一般最大电流的1.2倍以上（或者电感的饱和电流必须大于最大输出电流＋0.5*电感纹波电流）。通常选择合适的电感值L，使ΔIL占输出电流的30% to 50%。计算公式：

5、VCC电容：按规格书 要求取值，不能减小，也不要太大，注意耐压。

6、反馈电容：按规格书 要求取值，不同厂家芯片取值不同，输出电压不同也会有不同的要求。

7、反馈电阻和EN分压电阻：要求按规格书取值，精度1%。

PCB设计要求

1、输入电容就近放在芯片的输入Vin和功率的PGND，减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响 。电容地端增加过孔，减少阻抗。

2、功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积，较少噪声辐射。SW是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积，远离敏感的易受干扰的位置。如，电感靠近SW引脚，远离反馈线。输出电容靠近电感，地端增加地过孔。

3、VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，不要有过孔。

4、FB是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的最常见原因 。

1）FB电阻连接到FB管脚竟可能短，靠近IC放置，减少噪声的耦合；FB下分压电阻通常接信号地AGND；

2）远离噪声源，SW点，电感，二极管（非同步buck）；FB走线包地；

3）大电流负载的FB在负载远端取，反馈电容走线要就近取。

5、BST的电容走线尽量短，不要太细。

6、芯片散热要按设计要求，尽量在底下增加过孔散热。