DCDC開關(guān)電源基本原理
2025-3-10 11:32:59??????點(diǎn)擊：
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)電壓值的電能的裝置。如，通過一個(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，或稱之為開關(guān)電源或開關(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)升級容易等特點(diǎn)，電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。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。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） 開關(guān)脈沖寬度一定，通過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） 開關(guān)脈沖的頻率一定，通過改變脈沖輸出寬度，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)自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。
二 架構(gòu)分類
1 常見的三種原理架構(gòu)
A：Buck（降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）B：Boost（升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）C：Buck-Boost（升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）
2 Buck電路工作原理詳解
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)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。 當(dāng)開關(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。 當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)：由于電感上的電流不能突變，電感中存儲的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過二極管續(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：
三 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
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(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(guān)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(shí)際測試下各種場景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測試。
4 效率
要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會影響待機(jī)功率，重載影響溫升。通常看12V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。
5 瞬態(tài)響應(yīng)
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。常見取值在22p到120pF。
6 開關(guān)頻率
常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開關(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，輕載下噪音等問題也與之有關(guān)。
7 反饋參考電壓及精度
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(zhǔn)確度，常見精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會有差別。根據(jù)需要選擇。
8 線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度
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，并且考慮電壓波動最大范圍內(nèi)要滿足。 由于時(shí)序控制的需要，該引腳會增加電容，為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電，同時(shí)要有對地電阻。
10 保護(hù)性能
要有過流保護(hù)OCP，過熱保護(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；熱阻和封裝；使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。
四 器件選型一般原則
? 普遍性? 高性價(jià)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(chǎn)和歸一化
五 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電感量不同；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%。
六 PCB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. 電流環(huán)路面積
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，地端增加地過孔。
3. 反饋信號線
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 。 1）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； 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。
4. 自舉電容
BST的電容走線盡量短，不要太細(xì)。
5. 芯片散熱
芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求，盡量在底下增加過孔散熱。
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)電壓值的電能的裝置。如，通過一個(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，或稱之為開關(guān)電源或開關(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)升級容易等特點(diǎn)，電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。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。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） 開關(guān)脈沖寬度一定，通過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） 開關(guān)脈沖的頻率一定，通過改變脈沖輸出寬度，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)自動轉(zhuǎn)換到PWM控制。
二 架構(gòu)分類
1 常見的三種原理架構(gòu)
A：Buck（降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）B：Boost（升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）C：Buck-Boost（升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器）
2 Buck電路工作原理詳解
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)開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。 當(dāng)開關(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。 當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)：由于電感上的電流不能突變，電感中存儲的能量向負(fù)載釋放,電感電流通過二極管續(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：
三 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
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(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(guān)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(shí)際測試下各種場景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測試。
4 效率
要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會影響待機(jī)功率，重載影響溫升。通常看12V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。
5 瞬態(tài)響應(yīng)
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。常見取值在22p到120pF。
6 開關(guān)頻率
常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開關(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，輕載下噪音等問題也與之有關(guān)。
7 反饋參考電壓及精度
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(zhǔn)確度，常見精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會有差別。根據(jù)需要選擇。
8 線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度
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，并且考慮電壓波動最大范圍內(nèi)要滿足。 由于時(shí)序控制的需要，該引腳會增加電容，為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電，同時(shí)要有對地電阻。
10 保護(hù)性能
要有過流保護(hù)OCP，過熱保護(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；熱阻和封裝；使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。
四 器件選型一般原則
? 普遍性? 高性價(jià)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(chǎn)和歸一化
五 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電感量不同；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%。
六 PCB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. 電流環(huán)路面積
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，地端增加地過孔。
3. 反饋信號線
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 。 1）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； 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。
4. 自舉電容
BST的電容走線盡量短，不要太細(xì)。
5. 芯片散熱
芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求，盡量在底下增加過孔散熱。
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