第十节 直流变直流电路（DCDC）芯片选型

我们一般印象，产生直流电最典型的器件是电池。

在产品中，即使电池也有些地方不符合后面器件的电压要求。

例如锂电池是3.7V的，但是我们的集成电路用的是3.3V或者5V，这样就产生问题了。

必须想办法把3.7V降为3.3V，或者将3.7V 升压为5V。

又例如，前面用的是开关电源12V输出，而我们使用的3.3V的芯片。

那么就要想办法把12V变成3.3V

所用到的就是DCDC（DC-DC）集成电路（直流变直流）。

那么我们怎样去设计DC-DC电路？

1、芯片选型

目前硬件电气工程师，大部分使用集成化的芯片（集成电路/IC），单个最基本的元件组合（分立电路）已经很少使用。

什么是分立元件电路 分立元件电路与集成电路的区别
发表于 2018-10-16 10:35:29
作者： HOT-ic
1.分立元件电路
　　分立元件电路是将单个的电子元器件连接起来组成的电路。如果用分立元件实现功能复杂的电路或系统,势必造成元器件数目众多, 体积、重量和功耗都将增大, 而且可靠性也较差。
2. 集成电路
　　集成电路是采用一定的制造工艺将所有元器件都制作在一小块硅片上形成的电路。其优点是成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高,且便于维修。集成电路的应用很广, 发展非常迅速。
　　在模拟电路和数字电路中,虽然都在大量使用集成电路器件, 很多场合分立元件电路已经被集成电路所取代,但在这两种不同的电路中, 集成电路器件的使用呈现不同的特点。在数字电路中,分立元件电路几乎被淘汰; 而在模拟电路中,由于信号形状的多样性, 功率要求的多样性,以及集成电路制造技术等原因, 无法在集成电路内部实现大阻值电阻、大容量的电容器和电感、变压器等元件, 因此在模拟电路的大功率、超高频等领域中, 分立元件电路仍有一席之地。

向导工作室风格是：简单、直接、有效

在浩如烟海的元件中我们如何找到符合我们要求的芯片？到下面查找：

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在这里提出个问题有选择困难症或者初学者怎么选择？

• 先用销量筛选，销量最大的就是大部分工程师选用的（然后再依照下面的原则）
• 品牌选第一个或者第二个
• 封装选数量比较多的
• 包装选数量比较多的

实际我们选择就是看这个元件是否以前用过、有没有现成的电路、价位合适、质量可靠、容不容易买到。

但是对新手来说，能看懂它的datasheet，能找到现成的电路原理图，符合基本要求，那么就拿来用吧！如果你旁边水平比较高的同事或领导，可以咨询下最好，但这全靠人缘。

偏点话题：工作中不要因为一点小事就看同事不顺眼，盯着别人的错误不放，电子设计犯错是经常的，需要不断调试修改，如果平时你对同事太苛刻，你出点错误，你的同事不说帮你，也一样会落井下石，因为你就是这样做的，永远记得作用力是相互的。

对关联部门的同事能帮就帮，偶尔同事犯错，不是找出来炫耀自己的能力，而是私下指出来，帮助其快速解决问题，真正有水平的领导是看不起不断挑刺，不断制造麻烦的员工。没有人是傻子，技术是无止境的，谁都可能犯错。技术研发失败是常态、成功是小概率事件。

打算进入研发这一行的童鞋，记住上面两段话，有时候技术不一定是最关键的，人品更重要。

言归正传，现在我们碰到了疑问了，封装是什么鬼？包装又是什么？

在很久很久以前是没有封装这个名词，各个生产元器件的厂家各自为战，同样功能的电子元件，也有各种各样的样式，找块沥青把元件粘在一起，或者随便用蜡烛粘在一块估计都有。

然后大小不一、奇形怪状，元件的样子也有点像杀马特。

现在我们见到的电容是这样子的：

以前它是这样的：

莱顿瓶

为了理解，在第一节我说电容就是个水桶。乱猜的，但是有可能就是歪打正着了。

上图从这篇文章截取的：

电子元件家族史之Mr.电容器 - 电子土拨鼠 - 与非博客 - 与非网​www.eefocus.com

电容器诞生记 电子元件家族史之Mr.电容器 - 电子土拨鼠 - 与非博客 - 与非网 电容器诞生记
1746年，荷兰莱登大学的物理学家马森布洛克发明了一种具有蓄电功能的“condenser”电容器。由于该电容器诞生在荷兰都市莱登，人们将其称之为“莱登瓶(Leyden jar)"，由此开始了人类使用电容器的历史。
莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的有效方法，为进一步深入研究电现象提供了一种新的强有力的手段，对电知识的传播与发展起了重要作用。
当时改进后的莱顿瓶是这样的，把玻璃瓶的内壁与外壁都用金属箔贴上，在莱顿瓶顶盖上插一根金属棒，它的上端连接一个金属球，它的下端通过金属链与内壁相连。这样莱顿瓶实际上是一个普通的电容器。若把它的外壁接地，而金属球连接到电荷源上，则在莱顿瓶的内壁与外壁之间会积聚起相当多的电荷。当莱顿瓶放电时可以通过相当大的电流。
电容器的工作原理：水塔作比喻
从某种意义上说，电容器有点像电池。尽管两者的工作方式截然不同，但它们都能存储电能。不过电容器比起电池的原理，则要简单得多，并且它不能产生电子——它只是存储电子。像电池一样，电容器也具有两个电极。在电容器内部，这两个电极分别连接到被电介质隔开的两块金属板上。电介质可以是空气、纸张、塑料或其他任何不导电并能防止这两个金属极相互接触的物质。
电子电路中的电容器如图所示：

 

下面让我们看看在将电容器和电池连接在一起时会发生什么：

 

充电完成后，电容器与电池具有相同的电压（如果电池电压是1.5伏特，则电容器电压也是1.5伏特）。小电容器容量较低，但大电容器可以容纳大量电荷。 比如，一个苏打罐大小的电容器可以容纳足够的电荷，能够将一个手电筒灯泡点亮几分钟。当您看到天空中的闪电时，您看到的是一个巨大的电容器，其中一极是天空的乌云，另一极是大地，而闪电正是乌云和大地这两个“极”之间的电荷释放现象。显然，如此庞大的电容器可以保存大量的电荷！
下面，让我们假设您按如下方式将电容器连接到电路中：

 

您有一节电池、一个灯泡和一个电容器。 如果电容器非常大，那么您会看到，在连上电池后，电流从电池流向电容器以便给其充电，此时灯泡将被点亮。灯泡会逐渐变暗，最后，一旦电容器达到其电容量，灯泡将立即熄灭。随后，您可以取下电池，并用一段导线来取代它。电流将从电容器的一极流向另一极。此时，灯泡将重放光明，然而好景不长，很快灯泡又逐渐黯淡下来。最后，电容器放电完毕（电容器两极上的电子数相等），灯泡又熄灭了。
综上，电容器的作用可以用一个与水管连接的水塔来形象地描述。水塔可用来“存储”水压——当供水系统的水泵供应的水量超过城镇所需水量时，多余的水将被存储到水塔中。然后，当水的需求量较高时，多余的水将从水塔中流出以维持水压。电容器以同样的方式存储电子，并且以后可以再将电子释放出来。这就是电容器的工作原理。
电容的物理名片
在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)(皮法又称微微法)等，换算关系是：
1法拉(F)= 1000毫法(mF)＝1000000微法(μF)
1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)
相关公式：
一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即：C=Q/U，但电容的大小不是由Q或U决定的，即：C=εS/4πkd 。其中，ε是一个常数，S为电容极板的面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。
电容的几种应用
存储电量：闪光灯用到的就是这一功能。大型激光器也使用此技术来获得非常明亮的瞬时闪光效果。

消除脉动：如果传导直流电压的线路含有脉动或尖峰，大容量电容器可以通过吸收波峰和填充波谷来使电压变得平稳。

阻隔直流：如果将一个较小的电容器连接到电池上，则在电容器充电完成后（电容器容量较小时，瞬间即可完成充电过程），电池的两极之间将不再有电流通过。然而，任何交流电流(AC)信号都可以畅通无阻地流过电容器。其原因是随着交流电流的波动，电容器不断地充放电，就好像交流电流在流动一样。
振荡电路：与电感器一起使用：构成振荡器。

 

 

电容这一家
一、按照结构分类
固定电容器、可变电容器和微调电容器。
二、按电解质分类
有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。
三、按用途分类
1、高频旁路：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。
2、低频旁路：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。
3、滤波：铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。
4、调谐：陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。
5、高频耦合：陶瓷电容器、云母电容器、聚苯乙烯电容器。
6、低频耦合：纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。
7、小型电容：金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。
超级电容器的“传说”

 

 

原理
超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有时称作“电容电池”。超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
特点
充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；
循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；
大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；
功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；
产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；
充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；
超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；
检测方便，剩余电量可直接读出；
容量范围通常0.1F--1000F 。
电容的未来
超级电容凭借其诸多的优势，被各方媒体预测其能够代表未来新能源电池的发展方向，笔者大表赞同。而随着2007年苹果iPhone手机在市场上掀起屏幕多点触控话题，电容触控技术可谓前景一片大好，符合各种资质要求的电容式触控器也应运而生。由于电容触控比电阻式触控有更高透光度、分辨率，且可多手指触控输入功能(电阻式只能单指)，使用寿命亦比电阻式触控长，电容式触控技术将成为技术主流，由于现在电阻式触摸屏则因成本较低，仍能在市场存留一阵子，但是只要等电容式触控模块价格成本下降、生产良率提高，电容触控模块市场未来势必威胁取代电阻式触控市场地位。
看来Mr.Capacitor现在一定是充满微笑的看着前方的，电容先生的理想，很远大。

扯远了，不过看到这篇文章不错，对电容说明很不错，无耻的转发了，莱顿瓶就是原始的电容器。最初的科学家为了实现某种功能，制造的元件什么样式都有。

后来为了大规模生产，有一批标准化专家（ISO）为每种元件订立了各种各种标准的尺寸样式。就是封装标准了。

史上最全面详细的ic封装介绍-电子发烧友网​www.elecfans.com

芯片（集成电路/IC）的封装常用的有这些：SOIC（SOP）、SOT23、QFN、LQFP等等

每种代表固定的样式。

举个例子，sop8 ：

 

我们来解决第二疑问，包装是什么？

上面的封装是单个元件的尺寸样式，包装就是将很多同一种元件用什么东西装起来，利于运输、加工、储存。

常用的集成电路包装是编带包装、托盘等

封装、包装规范了，加工就容易了，特别是现在越来越多的芯片是贴片元件。

可以直接用贴片机安装到电路板上，这样生产加工非常快速。（下面机器上就可以看到编带包装）

SMT高级自动贴片机​tv.sohu.com

这里又碰到个名词：贴片？

贴片元件和直插元件的优缺点​mini.eastday.com

目前有趋势贴片元件是主流（设备小型化），但在大功率领域，直插元件还有用武之地。

小结：

我们从芯片选型，明白了什么是封装、包装、贴片与直插元件这几个必须了解的名词。

下一步我们从功能参数上再次进行筛选。

这个参数包括以下几个（数据表/DataSheet和行业标准、客户检验标准的规定）：

• 电压
• 电流
• 功率（封装大小与功率直接相关）
• 温度范围（工作温度、存诸温度、对锂电池类还有充电温度等等）
• 频率
• 防护（防水、防潮、抗干扰能力、EMC EMI等）
• 安规（安全规定）
• 其他（可能对产品正常工作产生影响的其他关键参数）

最重要的原则是符合客户要求及安全标准。

待续...

以下为剧透，已经入门的同学可以直接看看下面的内容。

选型完成后，下面的内容可能是以TPS54231 为例，说明如何进行DCDC电路设计及注意事项。

 

厂家DC-DC 降压IC 选型表：

http://www.ti.com.cn/zh-cn/power-management/non-isolated-dc-dc-switching-regulators/step-down-buck/buck-converter-integrated-switch/products.html​www.ti.com.cn

 

TI TPS54231 DCDC芯片

http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS54231​www.ti.com.cn

 

点击上面TPS5421 链接，第一页就有开始设计按钮