資深工程師給你講述DC/DC的設(shè)計(jì)技巧

“綠色”系統(tǒng)的發(fā)展趨勢不僅意味著必須采用環(huán)保元器件，還對電子產(chǎn)業(yè)提出了節(jié)能的挑戰(zhàn)。能源之星(EnergyStar)和80+等組織都已針對各式消費(fèi)電子(特別是計(jì)算類)頒布了相關(guān)規(guī)范。對當(dāng)前的消費(fèi)者而言，更長的電池壽命也是個十分吸引的特性。因此，更長的電池壽命、更小的外形尺寸及各國政府推出的新法規(guī)都在要求必需謹(jǐn)慎選擇電源元件，尤其是對板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這表示著新平臺的功率密度、效率和熱性能必須大幅提高。

眾所周知，設(shè)計(jì)理想的$DC-DC轉(zhuǎn)換器涉及到眾多權(quán)衡取舍。功率密度的提高通常意味著總體功耗的增加，以及結(jié)溫、外殼溫度和PCB溫度的提升。同樣地，針對中等電流到峰值電流優(yōu)化DC/DC電源，幾乎也總是意味著犧牲輕載效率，反之亦然。本人結(jié)合自己十多年的DC-DC應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，談?wù)凞C-DC轉(zhuǎn)換器的基本原理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技巧。

DC-DC就是直流-直流變換，一般有升壓(BOOST)、降壓(BUCK型)兩種。降壓式DC/DC變換器的輸出電流較大，多為數(shù)百毫安至幾安，因此適用于輸出電流較大的場合。降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖1所示。VT1為開關(guān)管，當(dāng)VT1導(dǎo)通時，輸入電壓Vi通 過電感L1向負(fù)載RL供電，與此同時也向電容C2充電。在這個過程中，電容C2及電感L1中儲存能量。當(dāng)VT1截止時，由儲存在電感L1中的能量繼續(xù)向 RL供電，當(dāng)輸出電壓要下降時，電容C2中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1為續(xù)流二極管，以便構(gòu)成電路回路。輸出的電壓Vo經(jīng)R1和 R2組成的分壓器分壓，把輸出電壓的信號反饋至控制電路，由控制電路來控制開關(guān)管的導(dǎo)通及截止時間，使輸出電壓保持不變。

圖1、降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路

DC-DC設(shè)計(jì)技巧

一.DC-DC電路設(shè)計(jì)至少要考慮以下條件：

1.外部輸入電源電壓的范圍，輸出電流的大小。

2. DC-DC輸出的電壓，電流，系統(tǒng)的功率最大值。

二.基于以上兩點(diǎn)選擇PWM IC要考慮：

1. PWM IC的最大輸入電壓。

2.PWM開關(guān)的頻率，這一點(diǎn)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的效率。對儲能電感，電容的大小的選擇也有一定影響。

3.MOS管的所能夠承受的最大額定電流及其額定功率，如果DC-DC IC內(nèi)部自帶MOS，只需要考慮IC輸出的額定電流。

4. MOS的開關(guān)電壓Vgs大小及最大承受電壓。

三.電感(L1)，二極管(CR1)，電容(C2)的選擇

1. 電感量：大小選擇主要由開關(guān)頻率決定，大小會影響電源紋波;額定電流，電感的內(nèi)阻選擇由系統(tǒng)功耗決定。

2. 二極管：通常都用肖特基二極管。選擇時要考濾反向電壓，前向電流，一般情況反向電壓為輸入電源電壓的二倍，前向電流為輸出電流的兩倍。

3. 電容：電容的選擇基于開關(guān)的頻率，系統(tǒng)紋波的要求及輸出電壓的要求。容量和電容內(nèi)部的等效電阻決定紋波大小(當(dāng)然和電感也有關(guān))。

如何得到一個電源紋波相對較小、對系統(tǒng)其他電路干擾相對較小，而且相對穩(wěn)定可靠的DC-DC電路，需要對以上電路的原理做如下修改：

1.輸入部分：電源輸入端需要加電感電容濾波。目的：由于MOS管的開關(guān)及電感在瞬間的變化會造成輸入電源的波動，尤其是在系統(tǒng)耗電波動較大時，影響更為明顯。

2.輸出部分：

(1)假定C2的選擇的100uF是正確的，我們想得到更小的紋波，可以將100uF的電容改成兩顆47uF的電容(基于相同類型的電容);如果100uF電容采用的是鋁電解，可以在原來的基礎(chǔ)上加一顆10uF的磁片電容或鉭電容。

(2) 在輸出端再加一顆電容和一顆電容對原來的電源做一個LC濾波，會得到一個紋波更小的電源。

PCB布線時，應(yīng)注意幾點(diǎn)：

1. 輸入電源與MOS的連線要盡可能的粗。

2. Vgs也要粗一點(diǎn)，千萬不要以為粗細(xì)沒關(guān)系，(注：一般系統(tǒng)功率相對較低時，輸出電流不大，粗細(xì)的影響不明顯)關(guān)鍵時刻會影響電源的穩(wěn)定性。

3. CR1， L1盡量靠近Q1。C2盡量靠近L1。

4. 反饋電阻的線盡量遠(yuǎn)離電感L1。

5. 反饋電壓的地與系統(tǒng)的地盡量的近，保持在一個電位上。

6. CR1的地線千萬要粗，在MOS的打開的時間里，L1的電流是由CR1的通路提供，即由地流向L1。