DC-DC電源應(yīng)用設(shè)計及其應(yīng)用類型簡介

對于DC-DC開關(guān)電源，在設(shè)計階段需要進(jìn)行一些電源常規(guī)測試，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能可以滿足要求，本文主要從原理上分析靜態(tài)紋波和動態(tài)響應(yīng)時產(chǎn)生的過沖/下沖，并提供一些改善方法。

DC-DC

-開關(guān)電源基本原理-

首先，對DC-DC開關(guān)電源的原理進(jìn)行簡單的分析，以buck電路為例：

由功率轉(zhuǎn)換，采樣反饋，邏輯驅(qū)動這幾個主要部分組成。

通過前面的原理分析，我們可以看到，電感的電流并非純直流，而是附加了三角波形狀的紋波電流，并且紋波電流通過輸出電容濾掉。

輸出電容并非理想電容，存在寄生參數(shù)，可分解為等效寄生電感(ESL)，等效寄生電阻(ESR)，電容(C)的串聯(lián)電路，電感紋波電流流過輸出電容時，會在ESL，ESR和C上產(chǎn)生電壓紋波。

從以上公式可以看到，輸出紋波主要受到電容寄生ESL，ESR，C的值和電感紋波電流影響。

-靜態(tài)紋波改善措施-

想要降低輸出紋波，主要就是降低電感紋波電流和電容寄生參數(shù)，增大容值，可通過如下措施進(jìn)行優(yōu)化：

增大感值，可以降低電感紋波電流;

提高開關(guān)頻率，可以降低電感紋波電流;

增大容值，降低電感紋波電流在電容上充放電產(chǎn)生的紋波;

輸出電容更換為ESL/ESR更小的電容，例如MLCC。

-動態(tài)負(fù)載過沖/下沖-

在負(fù)載發(fā)生跳變時(突然增大或者減小)，電感電流無法快速跟隨負(fù)載變化，會導(dǎo)致能量不足或者過剩，從而出現(xiàn)下沖/過沖，如下圖所示：

負(fù)載電流突然增大，電感電流受到控制器TON和電流斜率的限制，無法實時滿足負(fù)載需求，這部分額外的能量需要輸出電容端提供，即輸出電容放電，輸出電壓出現(xiàn)下沖;

負(fù)載電流突然減小，由于電感電流下降斜率小于負(fù)載電流下降斜率，導(dǎo)致電感上能量過多，從而對輸出電容進(jìn)行充電，輸出電壓出現(xiàn)過沖。

在電子設(shè)備中，電源模塊是核心組件，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)為設(shè)備所需的各種直流電壓。DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，特別是基于開關(guān)方式的轉(zhuǎn)換器，因其高效、小體積和輕重量等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但設(shè)計優(yōu)秀的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器并不容易。布局、電磁兼容性、電流和散熱管理等方面均需深思熟慮和精細(xì)調(diào)整。

為優(yōu)化供電性能，開關(guān)電源應(yīng)靠近芯片放置，避免輸出線過長導(dǎo)致壓降。為降低電磁干擾，避免在開關(guān)電源周圍布置敏感元器件。為增強穩(wěn)定性和可靠性，需考慮布線策略、地線加粗、散熱地設(shè)計等因素。

01

DC-DC電源應(yīng)用介紹DC-DC應(yīng)用類型簡介

DC-DC電源是直流電壓轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，包括LDO等類型。其中，利用開關(guān)方式實現(xiàn)的器件常被稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。這類電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，并能抗干擾、寬范圍輸出，因此在電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

02

DC-DC電源工作原理

DC-DC電源的工作原理涉及到電壓的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。這個過程主要是通過開關(guān)電源的變換器來實現(xiàn)的。DC-DC變換器在開關(guān)電源中負(fù)責(zé)將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出直流電壓。一般情況下，這個變換器的工作原理可以分為三個主要步驟：

1)濾波：當(dāng)市電經(jīng)過輸入開關(guān)接通后，首先經(jīng)過整流電路變成脈動直流電，再經(jīng)過濾波電路濾除紋波，變成平滑直流電，供給變換器進(jìn)行變換。

2)變換：DC-DC變換器將輸入電壓通過功率開關(guān)管和儲能電感產(chǎn)生一定的脈沖功率，然后利用脈沖變壓器、整流濾波電路，得到相應(yīng)的輸出電壓。電壓的轉(zhuǎn)換通過PWM(脈寬調(diào)制)或PFM(頻率調(diào)制)控制開關(guān)管的開關(guān)時序來實現(xiàn)。在開關(guān)電源中，開關(guān)管的開關(guān)速度非常快，一般在幾十微秒的時間內(nèi)完成開關(guān)動作，這個速度要比傳統(tǒng)線性電源的調(diào)整速度快很多。

3)調(diào)節(jié)：輸出電壓的穩(wěn)定是通過反饋環(huán)路來實現(xiàn)的。當(dāng)輸出電壓升高時，通過取樣電阻取得的樣本信號就會升高，這個信號與基準(zhǔn)電壓比較后得出的誤差信號就會增大，然后通過PWM或PFM控制的方式減小開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而降低變換器輸出的平均功率，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

03

關(guān)鍵器件的選擇

1、輸出電感

電感儲存磁能，確保電流穩(wěn)定輸出。選擇電感時需權(quán)衡大小，大電感損耗小但響應(yīng)慢，小電感快速響應(yīng)但損耗大?？紤]飽和電流，保證濾波效果。

2、分壓電阻

分壓電阻形成分壓網(wǎng)絡(luò)，反饋輸出電壓給控制電路，精準(zhǔn)控制PWM占空比，穩(wěn)定輸出電壓值。選擇高精度電阻，確保電路精確性。

3、輸入電容

選擇輸入電容需考慮等效電感和自諧振頻率。大容值電容濾除低頻噪聲，小容值電容濾除高頻噪聲。組合并聯(lián)使用可實現(xiàn)優(yōu)異濾波效果，穩(wěn)定輸入電壓并濾除交流成分。

4、輸出電容

輸出電容濾除開關(guān)紋波，確保輸出電流純凈。容值越大，阻抗越小，紋波更容易流過。選擇合適的輸出電容對電路穩(wěn)定工作至關(guān)重要。

在挑選這些核心組件時，我們需要綜合考慮各種因素以求達(dá)到最佳平衡。比如電感的選取就在效率和響應(yīng)速度之間尋找平衡;而分壓電阻則需要精確穩(wěn)定地反饋電壓;輸入輸出電容則需要根據(jù)不同的工作頻率噪聲特性來進(jìn)行挑選;最后的輸出電容更是要綜合考慮容值和ESR以最小化紋波。通過精心的挑選，我們可以使電路在高效、穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，從而將電路的性能發(fā)揮到極致。

04

DC-DC電源布局布線建議

電源模塊布局布線可提前下載芯片的datasheet(數(shù)據(jù)表),按照推薦的布局和布線進(jìn)行設(shè)計。

1、布局設(shè)計

1)芯片電源接近原則：對于為芯片提供電壓的開關(guān)電源，應(yīng)確保它盡量靠近芯片放置。這樣可以避免低電壓輸出線過長，從而減少壓降，確保供電性能不受影響。

2)避免電磁干擾：開關(guān)電源在高電壓大電流的狀態(tài)下工作，可能會引發(fā)復(fù)雜的電磁兼容性問題。因此，開關(guān)電源周圍應(yīng)避免布置敏感元器件，以減少電磁干擾對元器件工作的影響。

3)以電源芯片為核心布局：在布局時，應(yīng)以開關(guān)電源芯片為核心元器件進(jìn)行組織。電源濾波器的輸入及輸出端在布局時要確保足夠的距離，防止噪聲從輸入端耦合到輸出端。元器件應(yīng)整齊、緊湊地排列在PCB上，以減少和縮短各元器件間的引線和連接。

2、布線設(shè)計

1)避免平行導(dǎo)線：輸入、輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以減少不必要的電磁干擾。

2)加粗地線：加粗輸入和輸出之間的地線，能夠確保電流穩(wěn)定，并減少反饋耦合。

3)強電流引線處理：強電流引線，如公共地線、電源輸入/輸出線等，應(yīng)盡可能加粗。這樣可以降低布線電阻及電壓降，進(jìn)而減小寄生耦合而產(chǎn)生的自激。

3、散熱考慮

1)散熱地面積：由于開關(guān)電源的散熱量比較大，散熱地(銅)的面積應(yīng)盡量加大，以確保熱量的有效散發(fā)。

2)大面積鋪銅與打孔：輸入、輸出端應(yīng)盡量大面積鋪銅并多打過孔，這樣不僅可以滿足電流的要求，還有助于提高散熱效果。

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結(jié)語：

DC-DC電源轉(zhuǎn)換器在電子設(shè)備世界中扮演著至關(guān)重要的角色，其設(shè)計涉及到眾多精細(xì)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。從理解其工作原理，到精心挑選核心組件，再到布局布線的優(yōu)化設(shè)計，每一個環(huán)節(jié)都需要我們深入思考和精細(xì)操作。這不僅需要我們擁有扎實的專業(yè)知識，更需要我們具備創(chuàng)新思維和解決問題的能力。希望本文能對大家在設(shè)計DC-DC電源轉(zhuǎn)換器時提供一些有用的參考和幫助。