本文討論設計 DC-DC 電源時的重要考慮因素。主題包括為應用選擇合適的 DC-DC 轉換器;場效應管柵極電容;高開關頻率和元件尺寸;方程式和計算;選擇外圍組件;組件放置和權衡;接地;負載和線路調節;溫度敏感。

介紹

設計人員的第一個DC-DC轉換器電路通常與任何其他領域的首次嘗試有一個共同點：首次通電時，它工作令人滿意的機會很小。這聽起來像是一個令人沮喪的評估，但它仍然反映了開關模式電源設計的現實。DC-DC轉換器是復雜的系統。即使通過高度集成的IC進行了簡化，它們仍然需要大量的組件計算和深思熟慮的控制器IC選擇。此外，它們對電路板布局和元件寄生效應（即元件不理想的特性，例如電容器中的電阻或MOSFET開關中的電容）很敏感。

DC-DC 設計信息的綜合來源很少。工程教科書討論了控制理論、環路補償和其他非常詳細的分析方法。DC-DC 轉換器的數據手冊提供了具體的公式和一些布局信息。用于指導基于集成電路的DC-DC轉換器從頭到尾的整體設計的信息較少。

設備選擇

一旦選擇了DC-DC設計的初始規格（例如，輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流），第一步就是選擇轉換器IC。所需的 DC-DC 拓撲將縮小此選擇范圍。如果輸入電壓大于輸出電壓，請選擇降壓（即降壓）拓撲。如果輸入電壓小于輸出電壓，請選擇升壓（即升壓）配置。如果輸入電壓范圍高于和低于輸出電壓，則需要降壓-升壓轉換器或SEPIC轉換器。最后，如果輸出電壓為負，則使用反相拓撲。

請注意，當輸入超過為輸出電壓設置的電壓時，升壓DC-DC轉換器輸出將隨輸入電壓上升。同樣，當輸入電壓小于該輸出時，降壓轉換器無法提供所需的輸出。當這種情況發生時，據說它是“輟學”。

許多 DC-DC 負載要求可以通過包含集成電源開關的 DC-DC 轉換器 IC 來滿足。大多數此類IC包括MOSFET，但有些采用雙極晶體管。較新的內部MOSFET DC-DC IC的負載電流能力可以處理高達25A的電流（例如MAX8655和MAX8686）。內部開關器件（如果有）通常是首選，這既是為了整體簡單性，也是為了降低總成本。

超出內部 MOSFET 器件能力的大功率或高壓應用將需要外部 MOSFET 開關。設計用于驅動外部電源開關的DC-DC轉換器通常稱為“控制器”。這些 IC 包括用于對外部 MOSFET 的柵極電容進行快速充電和放電的驅動器。對 MOSFET 柵極進行快速充電和放電的能力對于實現高效率轉換至關重要。交換機希望在其打開和關閉狀態之間花費盡可能少的時間，因為這是功率損耗最大的時間。大多數 DC-DC 控制器都規定了它們可以驅動的最大柵極電容。（請參閱下面的 MOSFET 柵極電容部分。

除了拓撲、電壓和電流方面的考慮因素外，可能還有其他應用特性決定了DC-DC IC的選擇。例如，在大多數汽車應用中，DC-DC轉換器應該能夠承受冷啟動和拋負載條件以及-40°C至+125°C的溫度范圍。Maxim的在線參數搜索工具有助于在轉換器特性和規格中進行選擇。

場效應管柵極電容

功率 MOSFET 制造商在其數據手冊中提供了各種動態和開關參數，以及導通電阻等直流規格。在大多數情況下，當使用帶有 DC-DC 轉換器的外部 MOSFET 時，總柵極電荷 （QG） 是主要關注點。選擇Q值G在 DC-DC 轉換器制造商推薦的范圍內。使用 MOSFET 的典型 Q 值G在大多數情況下，值是可以的。最大數量通常過于保守。The QG規范用于驅動“漏極開路”低側 n 溝道或高側 p 溝道 MOSFET，換句話說，當 MOSFET 源在開關期間電壓不變時。

在源電壓在開關過程中發生變化的電路中，更有用的動態參數是反向傳輸電容（C.RSS).C.RSS用于根據以下公式計算降壓轉換器的高側n溝道MOSFET中的開關損耗：

PD(switching) = (CRSS × VIN(MAX)2 × fSW × ILOAD)/IGATE

其中IGATE是峰值柵極源電流和灌電流，fSW是開關頻率。

PWM和其他控制方案

最流行的 DC-DC 轉換器控制方案是脈寬調制 （PWM）。PWM 轉換器可在很寬的負載范圍內保持恒定的開關頻率。當開關噪聲可能干擾系統中的其他進程時，這種行為可能很重要。將噪聲限制在已知頻段通常可以減輕干擾。

下一個最常見的控制方案是脈沖頻率調制（PFM），其中轉換器僅在負載需要時才提供開關脈沖。PFM轉換器在需要低靜態電流和極小負載下的高效率的應用中表現出色。一些轉換器IC采用這兩種方案，將良好的空閑模式效率和低噪聲相結合。

IC DC-DC 轉換器和控制器的開關頻率范圍為 65kHz 至 4MHz 以上。一般來說，最好避免使用工作頻率低于100kHz的設備，因為這種頻率是效率低的舊設備的典型頻率。更高的開關頻率允許更小的外部元件以及更低的峰值電流和I2R損耗，但磁芯損耗、柵極充電電流和開關損耗增加。（請參閱高開關頻率減小元件尺寸一節。如果應用需要盡可能小的尺寸，則尋找開關頻率為1MHz及以上的轉換器。否則，只需選擇符合電源標準的器件，并驗證其開關頻率不會干擾系統中的其他組件。

高開關頻率減小了元件尺寸

DC-DC轉換器的持續趨勢是提高開關頻率，以實現更小的元件尺寸。當每秒發生更多的開關周期時，每個開關周期的能量（以及存儲該能量的組件的大小）可以更小。例如，電感值可以更低。電感行為由以下等式決定：

VL= L × （di/dt）

WL= （L × i2)/2

例如，考慮一個工作頻率為500kHz的降壓轉換器，采用10μH電感。將頻率更改為 1MHz 允許使用恰好一半的電感或 5μH 來實現相同的功率傳輸。雖然電感值降低了一半，但電流要求保持不變。第二個等式表明，我們剛剛將電感所需的能量存儲減少了一半。由于電感與匝數的平方成正比，因此電感減少一半意味著匝數減少到原始位數的70.7%。減小匝數也會按比例降低直流電阻（DCR），因此產生的電感更小，DCR更低。

較高的開關頻率也減小了輸出電容器的尺寸。在上例中，67kHz時所需的電容為500μF，但在33MHz時僅為1μF。紋波電流規格保持不變。

選擇特定器件類型（降壓、升壓等）后，通過查閱 DC-DC 轉換器制造商的網站進行最終選擇。請務必查看制造商的網站以獲取最新的數據表。在那里，尋找適用于您正在考慮的器件的應用筆記。它們用作指南，通常包括無需修改即可使用的電路。從應用筆記和數據手冊中，您可以獲得控制器件設計的公式。

設計方程式

DC-DC轉換器數據手冊應包含有助于設計電路的公式。用于計算組件值的宏模型或電子表格文件也可在產品網頁上找到。請務必仔細閱讀IC數據手冊，以確保為所需的性能和工作模式選擇正確的公式。一旦知道了主要設計參數并且您有了正確的方程，評估方程的最佳工具就是電子表格（如 Excel）或工程數學程序（如 MathCAD）。Maxim的EE-Sim工具可生成具有高效仿真引擎的交互式原理圖。如果所選器件具有EE-Sim模型，請使用該模型為您的設計計算適當的組件。??

電子表格計算

電子表格是 DC-DC 轉換器的有效基本設計工具。它們甚至可以用作粗糙的電路模擬器，其“求解”功能可以幫助優化組件值。當與DC-DC轉換器方程一起使用時，電子表格允許采用迭代方法，通過快速指示因果關系來幫助選擇元件。

例如，MAX1742是一款內部開關降壓轉換器。數據手冊的設計程序部分提供了必要的信息和計算順序。我們假設恒定的5V輸入，3.3V輸出，最大負載電流為500mA，工作頻率為500kHz。

盡可能使用定義的變量名稱。輸入更多公式時，請使用更多名稱定義這些計算的結果。選擇名稱，以便在以后檢查計算時可以輕松記住它們的含義。

首先，在新工作表的頂部，輸入所有預定值的名稱（圖 1）。這些名稱可能包括 V英明， V英馬克斯， V外我外、FREQ（頻率）以及與轉換器相關的其他術語。在緊挨著包含這些名稱的單元格下方的單元格中，定義單元格名稱以匹配上面鍵入的名稱。

圖1.在電子表格中使用單元格名稱。

要定義單元格名稱：選擇要命名的單元格，轉到“插入”菜單并選擇“名稱”，然后在子菜單上選擇“定義”。在Excel中，會彈出一個對話框，建議（作為默認名稱）所選單元格正上方的文本。若要命名單元格，請單擊此對話框中的“確定”。繼續跨行，直到所有這些字段都已命名。此命名過程允許您引用 V英馬克斯在您的計算中而不是單元格 A2。請注意，圖 1 中的選定單元格為 A2，值為 5。單元格的名稱顯示在標記為 A 的行的正上方。接下來，瀏覽設計過程并選擇所有必需的元件值（表1）。請注意，為清楚起見，原始電子表格值已轉換為 SI 單位。

組件選擇

使用表 1 中的值，選擇 DC-DC 轉換器的外圍組件。檢查數據手冊的建議，以確保每個組件都適合該任務。如果計算出的電感值不可用，請選擇下一個較小的標準值。如果沒有計算出的電容器值，請選擇下一個較大的標準尺寸。

電感器的選擇主要基于電感值、直流電阻 （DCR） 和峰值電流要求。還要確保電感設計為在所需的開關頻率下工作。如果未提供該數據，請選擇另一個可提供數據的電感器。電感器有表面貼裝和通孔兩種版本，但一般而言，表面貼裝類型具有更好的性能，特別是在高開關頻率下。在我們的示例中，我們與線圈電子Thin-Pac TP1-150非常匹配，后者是具有15.0A飽和電流的73μH電感器。?

輸入電容可降低從輸入電源汲取的峰值電流和流向系統其他元件的輻射噪聲。大多數數據手冊要么建議特定值，要么給出計算輸入電容值的公式。確保電容器的紋波電流額定值接近所選開關頻率。對于我們的500kHz示例，電容器可以是有機電解質，有機聚合物，陶瓷或鉭類型。

鉭電容器可以對大的瞬時電壓階躍和高電流浪涌做出劇烈響應，因此不要使用鉭進行輸入旁路，輸入電源將通過機械開關連接。我們的電路輸入來自穩壓電源，因此我們不必擔心這種限制。因此，我們選擇滿足紋波電流額定值和電壓要求的電容器，例如 C 尺寸外殼的 AVX TPS 系列 100μF 電容器，額定紋波電流為 10V 和 742mA。降壓轉換器中的輸入電容紋波電流近似為：?

IRIPPLE_CIN (RMS) = [IOUT/VIN][VOUT (VIN - VOUT)]1/2

首先，選擇符合推薦的最小值22μF的電容器，并驗證其是否滿足所需的額定電壓。例如，采用C尺寸外殼的AVX TPS系列33μF電容器的額定工作電壓為10V。其最大ESR為0.375Ω，接近目標。

軟啟動電容器和關閉電阻器沒有特殊要求;從最接近的可用標準值中選擇它們。要完成元件選擇，請從典型應用電路或評估（EV）原理圖中選擇剩余值。

重新審視電子表格

由于電容器和電感器的標準值數量有限，因此最接近的可用值可能與計算值相差20%以上。在這種情況下，應使用實際值重新計算電子表格，以驗證電路是否仍滿足其設計目標。如表2所示，不需要進一步的校正，因為我們的R托夫電感的選擇對電路工作點的影響最小。

元件放置

在本例中布置PCB時，應首先放置DC-DC轉換器IC（例如MAX1742）、電感以及輸入和輸出電容。然后，移動這些元件，使輸入電容靠近MAX1742的輸入引腳;電感靠近IC的LX引腳;輸出電容靠近電感和IC的接地引腳。優化所有這些元件位置可能需要折衷，具體取決于IC引腳位置。在Maxim的DC-DC轉換器IC中，引腳位置經過精心選擇，以實現電路性能和PCB布局的簡化。

在大多數情況下，最關鍵的節點是輸入和輸出電容與IC接地引腳之間的公共接地。這三個接地必須非常接近，通常彼此相距10mm以內（圖2a和2b）。在充電周期（圖2a）期間，電流從輸入電容流經高端開關、電感、輸出電容，穿過接地層，然后返回輸入電容。在放電周期（圖2b）期間，電流繼續流過電感、輸出電容、穿過接地層、回流IC的接地引腳、低邊開關，然后流回電感。

圖2.這些圖顯示了降壓型DC-DC轉換器充電（a）和放電（b）循環期間的電流路徑。

由于該環流會干擾其他電路，因此其路徑長度必須保持較短（短路徑也有助于穩定運行和效率）。接地部分的路徑長度過長（在任一周期內）都會損害電路對其他電路元件的基準電壓源。這種情況還可能導致調節不良、輸出紋波過大，甚至不穩定。將輸入電容接地、輸出電容地和IC地相鄰放置，可最大程度地減少這些不良影響。

載流元件接地連接的另一個重要考慮因素是，如果接地層位于另一個PCB層上，則使用多個并行PCB過孔。這對于輸入和輸出濾波電容器尤其重要。單個通孔通常會增加與電容器串聯的電阻和電感，從而降低其有效性。

電源接地

根據上述標準放置組件后，公共接地通過寬跡線或實心銅多邊形連接。使用盡可能多的銅在元件之間創建低阻抗路徑。

本地地面

許多DC-DC轉換器IC的典型應用電路指示多個接地符號，這是如何實現成功電路布局的絕佳提示。其中一個不同的符號通常表示局部接地層，通常標題為SGND或AGND。連接到本地接地層的元件可以包括基準旁路電容、電阻分壓器和設置工作點的電阻（如電阻R）托夫在本例中），但不應包括高電流接地，例如來自開關 MOSFET 的接地。

局部接地層是一個實心銅多邊形，最好僅在一點上連接到電源接地層，通常是標題為 PGND 的引腳。本地接地層可防止開關電流污染低噪聲本地接地層。這些開關電流通常超過10A。

接地層

由于許多系統依賴于PCB上所有元件的單獨接地層，因此通常很容易使用DC-DC轉換器部分的接地層來實現此目的。應該避免這種誘惑。上述開關電流會導致整個電路板的接地毛刺，產生過大的EMI，導致無效的邏輯狀態，提高噪聲水平并導致不穩定。DC-DC轉換器電路和接地層之間的正確接口是單個過孔（或多個過孔的小組），從澆注的銅電源接地引向埋地接地層。

信號路由

完成初始地面布局后，為前四個關鍵組件進行所需的連接，然后放置和布線其余組件。一種有用的方法是將所有非關鍵信號通過小過孔傳輸到PCB的背面，同時保留電路板的頂部用于關鍵大電流走線的布線。

在電路板上布線非電源走線時，請考慮信號的直流和交流分量。請記住，每條走線都是電阻和電感，也可能電容耦合到其他走線。每個信號在電路中的使用決定了最佳的走線寬度和長度。高速和高電流信號需要短而寬的走線。對于不太關鍵的信號（如低速邏輯），更長、更細的走線是可以接受的。將高速開關節點遠離敏感的模擬區域，如補償網絡和反饋節點。還要保持補償和反饋網絡盡可能小，以防止噪聲拾取。如需幫助，請參考評估板PCB布局上的布局和接地指南。

驗證

轉換器完成并組裝原型板后，應驗證整體設計的性能是否符合原始標準。如果設計在所討論的問題方面得到認真實施，那么初步成功的機會是很好的。但即使是良心設計，可能仍然需要“調整”。進行更改時，請使用計算或模型進行驗證，以確保其他一些重要特征不會受到損害。例如，您可以確定輸出紋波在較小的輸出濾波器電容下是可以接受的，但這種變化也可能影響穩定性。

效率

效率通常是DC-DC轉換器的關鍵性能參數，特別是對于使用電池供電的設備，尤其是筆記本電腦和小型手持設備的電源。筆記本電腦的電源效率直接影響電池壽命，但也會影響功耗;它應該與散熱限制相協調。請注意，以 50% 的效率提供 85W 的 DC-DC 轉換器仍會在機箱內散發 8.8W 的熱量。

在筆記本電腦中，效率在各種工作條件下都很重要。示例包括低電池、充滿電池以及待機和工作狀態下的電池充電。在其他應用中，效率關鍵點取決于器件的使用方式。輕負載效率和靜態工作電流在小型手持設備（如個人血糖儀）中最為重要，而滿載效率和發熱在網絡硬件中最為關鍵。

負載調整率

無論負載如何，轉換器都能保持在規定的輸出電壓容差范圍內，稱為負載調整率。它適用于直流電，但也包括快速瞬變，例如高速 CPU 遇到的瞬變。您應該驗證輸出電壓在負載電流范圍從零到最大值時是否保持在規格范圍內。確保當負載從最小值快速變為最大值時，輸出電壓不會低于其最小值。確保當負載電流從最大值下降到最小值時不超過其最大值。請注意，大多數數據手冊電氣特性表中引用的線路和負載調整率規格是在直流電壓下測量的，而瞬態性能通常以典型工作曲線表示。

線路調節

電源在變化的輸入電壓下維持輸出電壓調節的能力稱為線路調整率。同樣，應在直流和快速交流瞬變下進行檢查。當便攜式計算機從其交流適配器電源切換到其內部電池并返回時，會遇到瞬態。在某些系統中，電壓變化可能高達10V。驗證當輸入電壓從最小值變為最大值時，輸出電壓是否保持在規格范圍內。確保輸入電壓的階躍變化不會導致輸出電壓出現超過輸出電壓規格的峰值或谷值。

溫度靈敏度

在實驗室工作臺上評估系統并判斷其已準備好用于應用可能很方便，但還有一個關鍵條件需要檢查：在最壞情況下的工作溫度范圍內的性能。符合上述電氣標準的性能應在系統在運行期間遇到的最高和最低溫度下測量。注意急劇變化的參數以及隨溫度變化接近上限或下限的參數。

評估系統溫度變化的最佳方法是使用環境箱。該腔室可讓您在很寬的溫度范圍內進行計算機控制的實驗，精度為 1°C 或更高。在不可能使用腔室的情況下，您仍然可以使用不太復雜的設備了解過溫性能。常見的熱風槍甚至吹風機在測試時加熱電路很有用。要將回路冷卻到遠低于環境溫度，請用壓縮惰性氣體冷噴涂（在許多技術目錄中提供）進行噴灑。冷卻組件時，請避免冷凝。如果確實發生冷凝，請了解電路波動可能是由于電路板上的水分造成的，而不是電路對溫度的敏感性。

結論

DC-DC電源設計既不是火箭科學，也不是常識。在成功的設計中需要解決的特性列表可能看起來令人生畏，但有條不紊的方法可以產生迭代最少的工作電路。通過應用本文中的原則，您可以消除大多數典型的首次設計失誤。

Maxim為其大多數DC-DC轉換器提供評估板。Maxim的免費EE-Sim仿真工具還可用于更可靠的電源設計，并可用于越來越多的電源器件。

審核編輯：郭婷