如何减小DC-DC芯片外围电路体积?

-----本文简介-----

        由于现在小体积设备如手表手环等越来越多，减小DC-DC模块体积也随之变得非常重要，因此本文将探讨如何才能尽量减小DC-DC芯片及其外围电路体积。

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----- 正文 -----

一、影响DC-DC模块体积的因素

    1. 常见DC-DC（BUCK）拓扑结构

图1 BUCK电路拓扑结构

    2. 外围器件分析

            在如上图1所示的集成BUCK芯片的外围电路中，输入输出电容、二极管、电感均会影响整个DC-DC模块的体积。

二、如何减小电感体积

    1.　电感体积与什么参数有关

        电感体积与其电感量有关，因为电感是通过绕线来增大感量，所以电感量越大，需要绕的圈数越大，即体积越大。参考下图2，10uH电感体积远大于1uH电感。

图2 1uH-2A（左）与10uH-2A体积对比（右）

        此外电感体积也和额定电流有关，额定电流越大，所需绕线的线径越粗，即体积越大。参考下图3，同样感量额定9A电感体积远大于额定4A的。

图3 1uH-4A（左）与1uH-9A体积对比（右）

    2. 如何降低电感量

        前述可知减小电感体积只有降低电感电流与减小电感量两种方法，而电感电流与输出负载电流有关，这个我们没办法减小，因此只能去减小电感量。

图4 电感计算公式

         BUCK拓扑中电感最小值计算公式如上图4，其中Kind是指一个系数，表示电感器纹波电流与最大输出电流之比，此值一般在0.3左右，除此之外的VIN、VOUT、IOUT均为设计定下来的值，因此只剩下了Fsw可以用来调节电感的值，Fsw是芯片的开关频率。因此从公式可以看出，开关频率Fsw越大，所需电感量就越小。

        如下图5和图6，我们以TI的BUCK芯片为例，TPS54332开关频率为1MHz，典型应用推荐电感量为3.3uH，而典型应用与TPS54332输入输出电压及输出电流相差无几的TPS54333的开关频率为285kHz，其推荐电感量达到了15uH，不在一个数量级了。   

图5 TPS54332-1MHz  电感量3.3uH

图6 TPS54333-285kHz  电感量15uH

图7 输出电容计算公式

        同时，如上图7的输出电容公式可以看出，输出电容容量也随开关频率的增大而减小，所以通过提高开关频率来减小体积是一举两得的方式。

        但要知道的是，开关频率过高也不全是优点，过高的开关频率对EMC等可能有负面影响，同时高开关频率带来的损耗也更高，后续出文章介绍，欢迎关注。

三、其他减小DC-DC模块体积的方法

    1. 干掉二极管

        选择如下图8所示的同步型BUCK芯片，由于同步型DC-DC不需要续流二极管，取而代之的是芯片内置的开关管，因此外围电路体积得以缩小。

图8 同步型DC-DC（BUCK）拓扑

    2. 从输入输出电容入手

        为了滤除不同频段的杂波，通常输入输出电容都是并联多个，而在极端体积限制时，只要满足纹波等参数要求，可以减少输入输出电容数量；同理也可以通过减小其容值以缩小体积。

 四、总结

    根据以上分析，选择高开关频率的同步型DC-DC芯片将会是最能减小外围电路体积的方式。 

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