学习笔记之DC-DC

一、定义：表示的是将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置。

如，通过一个转换器能将一个直流电压（5.0V）转换成其他的直流电压（3.3V或12.0V），我们称这个转换器为DC-DC转换器，或称之为开关电源或开关调整器。

DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。

二、分类：

1.按电压等级变换关系：升压电源和降压电源

2.按输入输出关系：隔离电源和无隔离电源

三、架构

其实DC-DC内部是先把DC直流电源转变为交流电电源AC。通常是一种自激震荡电路，所以外面需要电感等分立元件。

然后在输出端再通过积分滤波，又回到DC电源。由于产生AC电源，所以可以很轻松的进行升压跟降压。两次转换，必然会产生损耗，这就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的问题。

1、Buck（降压型DC/DC转换器）

Vin=VL+Vo。因Vin>Vo,故具有降压作用

当开关闭合时，续流二极管是截止的，由于输入电压Vin与储能电感L接通，因此输入-输出压差（Vin-Vo）就加在L上，使通过L上的电流线性地增加。在此阶段，除向负载供电外，还有一部分电能储存在电感L和电容C中。

当开关断开时，L与Vin断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在电感L上就产生反向电动势以维持通过的电流不变。此时续流二极管导通，储存在电感L中的电能就经过有续流二极管构成的的回路对负载供电。（主要是电容C对负载供电，此阶段一直给电容C充电，维持电压稳定）

2、Boost（升压型DC/DC转换器）

Vo=Vin+VL-VD ,由于VD值较小，忽略不计，Vin+VL>Vo,故具有升压作用。

当,开关闭合时，二极管D截止，输入电压经过电感L后直接返回，这导致通过通过电感的电流线性地增大。此时输出滤波电容C向负载放电。

当开关断开时，由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在电感L上产生反向电动势VL以维持通过电流不变。此时二极管D导通，Vin和VL两电压串联后，以超过Vin大小的电压向负载供电，并对输出滤波电容充电。

3、Buck-Boost（升降压型DC/DC转换器）

BUCK-BOOST电路的输入电压与输出电压的极性是相反的。

当开关闭合时，输入电压通过电感L直接返回，在电感L上储能，此时电容C放电，给负载供电。

当开关断开时，在电感L上产生反向电动势，使二极管D从截止变成导通。电感给负载供电并对输出电容充电，维持输出电压不变。

四、选型参数

1.外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。

2.DC-DC输出的电压，电流，系统的功率最大值。

3.纹波

4.效率

要同时关注轻载和重载两种情况。轻载会影响待机功率，重载影响温升。通常看12V输入，5V输出下10mA的效率，一般要80%以上。

5.瞬态响应

瞬态响应特性反应负载剧烈变化时系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。要求输出电压波动越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。

实际要注意按推荐值选用反馈电容。常见取值在22p到120pF。

五、外围器件的选择

1.输入电容

要满足耐压和输入纹波的要求。一般耐压要求1.25~2倍以上输 入电压。注意瓷片电容的实际容量会随直流电压的偏置影响而减少。输入电容的作用是滤除输入电压纹波和调制开关尖峰电压。由于到降压变频器的输入电流是不连续的，所以需要输入电容器向变频器提供电流以保持直流输入电压。纹波大小与MOSFET的占空比有关。计算公式为：

2.输入电流

要满足耐压和输出纹波的要求。一般耐压要求1.25~2倍

输出电容器用于保持直流输出电压，并提供负载瞬态电流。当在恒流模式下工作时，输出纹波A由四个分量决定：等效电阻ESR（三角波）、等效电感ESL（方波）、电容C（正弦波）和噪声N

A

ESR

ESL

C

N

 

 3.输出电感

输出电感用于存储能量和滤除输出纹波电流。但最大能量存储往往发生在电感和物理尺寸之间的权衡条件。选择输出电感的首要考虑因素是确保电感足够大，以使转换器保持在连续电流模式下。不同输出电压的要求感量不同；注意温升和饱和电流要满足余量要求，一般最大电流的1.2倍以上（或者电感的饱和电流必须大于最大输出电流＋0.5*电感纹波电流）。尺寸和效率之间的一个良好的折衷值是为峰到峰电感纹波电流ΔL设置为最大负载电流的30%。但是，将峰值到峰值的电感纹波电流ΔL设置在20%~的50%的最大负载电流之间也是可以接受的。然后，可以用以下公式计算出电感：

六、PCB布局

PCB的布局对器件的性能和稳定性有显著的影响。建议遵循以下所述的一般准则：

1、输入电容就近放在芯片的输入Vin和功率的PGND，减少寄生电感的存在，因为输入电流不连续，寄生电感引起的噪声对芯片的耐压以及逻辑单元造成不良影响 。电容地端增加过孔，减少阻抗。

2、功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积，较少噪声辐射。SW是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积，远离敏感的易受干扰的位置。如，电感靠近SW引脚，远离反馈线。输出电容靠近电感，地端增加地过孔。

3、VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和芯片的信号地之间，尽量在一层，不要有过孔。

4、FB是芯片最敏感，最容易受干扰的部分，是引起系统不稳定的最常见原因 。

FB电阻连接到FB管脚尽可能宽和短，靠近IC放置，减少噪声的耦合；FB下分压电阻通常接信号地AGND；
离噪声源，SW点，电感，二极管（非同步buck）；FB走线包地；远离开关信号（LX）
电流负载的FB在负载远端取，反馈电容走线要就近取。
5、 BST的电容走线尽量短，不要太细。

6、 芯片散热要按设计要求，尽量在底下增加过孔散热。

7.推荐采用多层PCB设计
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参考：CSDN博主「记得诚」的原创文章
原文链接：https://blog.csdn.net/Albert992/article/details/118683131