1.DC-DC簡介

DC-DC是英語直流變直流的縮寫。所以DC-DC電路是某直流電源轉變?yōu)椴煌妷褐档碾娐?。DC-DC是開關電源技術的一個分支。這里說的DC-DC是指開關電源芯片。

開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。

開關電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產品有兩種。一種為電容儲能DC-DC，一種為電感儲能DC-DC。主要講電感儲能DC-DC。

2.DC-DC的原理

1、降壓DC-DC：BUCK

BUCK型DC-DC主要用于降壓，其原理如圖1，開關管Q1打開時，Vin通過L1給負載供電，L1中儲藏電能，當Q1閉合時，當在L1內上會感應出反向的電動勢，極性是左負右正，此時電感通過二極管D1給負載供電。輸出的電壓跟占空比D有關：Vout=Vin*D

圖1

該電路中由于頻繁開關作用，所以要求二極管D1具有極高的回復速度，考慮到效率，該二極管還要具有低的正向導通電壓，一般選用肖特基二極管。

同步整流技術

同步整流是采用動態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高DC／DC變換器的效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系，其導通電阻極小。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

同步整流示意圖

2、升壓DC-DC:BOOST

BOOST型DC-DC主要用于升壓電路，其原理如圖2，當開關管Q1閉合時，二極管D1截止，電流流經電感L1和開關管Q1，此時電容Cout給負載供電，當開關管Q1斷開時，L1上產生反向的電動勢，極性是左負右正，此時Vin和L1上的電動勢疊加通過二極管給負載供電，同時給Cout充電。輸出的電壓同樣跟占空比D有關：Vout=Vin/(1-D)

圖2

3、BUCK/BOOST

BUCK/BOOST型DC-DC既可用于降壓，也可用于升壓，其原理如圖3所示，該類型電壓輸出：Vout=Vin*D/(1-D)

圖3

3.DC-DC與LDO的區(qū)別

1、兩者的效率不同,DC-DC的效率一般要高于 LDO,這是其工作原理決定的；

2、DC-DC有Boost、Buck、Boost/Buck，而LDO只有降壓型；

3 、DC-DC存在開關噪聲和EMI問題，而LDO一般不會存在該問題；

4、LDO設計簡單，只需一個輸入和一個輸出電容，外圍元器件少，所占PCB的面積較小，而DC-DC一般需要電感、二極管等，設計較復雜，所占PCB的面積較大；

5、DC-DC可以輸出較大的電流，而LDO輸出電流較??；

6、DC-DC比LDO要貴

4.DC-DC設計指導

*在設計電源模塊的時候，第一時間要把該電源IC的datasheet資料下載好，查看里面的說明；

*下面以一款DC/DC轉換IC為例；開始布局前先看下IC的特性說明，如圖

4：注意其中關于輸出電流值的說明，這里最大輸出電流為1A，設計的時候過孔的數目是根據電流大小來決定的。

圖4

*看下該IC的典型電路和管腳分配，如圖5：

圖5

圖5左下角為分壓電路計算公式，能很容易根據反饋電壓計算出輸出電壓。

*然后看下datasheet中關于管腳的說明和注意要點，如圖6：

圖6

>1pin為使能腳；

>2pin為地腳；

>3pin為電源輸出腳；

>4pin為電源輸入腳；

>5pin為反饋腳，提供反饋電壓；

*最重要的一步，要仔細查看datasheet中是否提供了布局指導。Layout Guide為設計者提供一個參考布局，是經過官方驗證過的。如圖7

圖7

*實際上，通過一些layout guide能總結出一些電源設計中需要注意的要點，如圖8

圖8

*圖9中設計包含以下問題需要改善：

圖9

1. 輸入處電流過孔數目不夠，且最好打在電容右側；

2. 反饋線太細，建議走15mil粗線，連到輸出端最后一個電容，不要直接連在電感；

3. 1腳為使能腳，不需要鋪銅；

4. 0402小電容建議十字花連接；

5. 輸入輸出回路太大，可以改變布局讓其共地，縮小環(huán)路面積；

*經過改善后的布局如下，圖10

圖10

5.參數的選擇

1、電感器的選擇

隨著開關的打開和閉合，升壓電感器會經歷電流紋波。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的 20％。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。

電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式 1 所示，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。

等式 1

由公式可以得出：

（1） 開關頻率越高，所需的電感值就可以減??；

（2） 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應的增大，電流變化速度也減慢。

為了避免電感飽和，電感的額定電流值應該是轉換器最大輸出電流值與電感紋波電流之和。如圖11

圖11

2、輸入電容的選擇

因為 buck 有跳躍的輸入電流，需要低 ESR 的輸入電容，實現最好的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負載時的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容 RMS 紋波電容范圍應該滿足應用需求。

陶瓷電容具有低 ESR 值，表現出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對瞬時電壓不敏感。

3、輸出電容的選擇

輸出電容器的有效串聯電阻(ESR)和電感器值會直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。

輸出電壓紋波是由輸出電容的 ESR 引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和

審核編輯：湯梓紅