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

概念及特點

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電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值的電能的裝置?

如,通過一個轉(zhuǎn)換器能將一個直流電壓(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,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,縮短研制周期,實現(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,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?MP3?數(shù)碼相機?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?

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(yīng)電壓范圍寬?

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(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(diào)制方式的DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換型小負載時實行PFM控制,且在重負載時自動轉(zhuǎn)換到PWM控制?

架構(gòu)分類
DC-DC有三種常見的三種原理架構(gòu):
1?Buck(降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

2?Boost(升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

3?Buck-Boost(升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器)

設(shè)計技巧及主要技術(shù)參數(shù)選用要求
DC-DC電路設(shè)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(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(guān)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(yīng)
瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負載劇烈變化時系統(tǒng)是否能及時調(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?負載穩(wěn)定度反應(yīng)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(guān)斷,并且考慮電壓波動最大范圍內(nèi)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(diào)節(jié)和關(guān)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(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?
器件選型一般原則

易生產(chǎn)和歸一化
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(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%?
PCB設(shè)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(yīng)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(shè)計要求,盡量在底下增加過孔散熱?