DC-DC基本原理 - 浅议低功耗、低噪声电源电路设计经验和感想

　　DC-DC电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容 C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

　　在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。

　　在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小;当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

　　升压式DC/DC变换器原理：

　　升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压，工作电流可达几十毫安至几百毫安，其转换效率可达70%-80%。

　　升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示。

　　升压式DC/DC变换器原理：

　　升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压，工作电流可达几十毫安至几百毫安，其转换效率可达70%-80%。

　　升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图所示。

　　图1：基于基本设计原则的布线模式；图2：升压电路的PCB设计示例。图3：降压电路的PCB设计示例

　　设计原则

　　印制线走线方式和元器件的放置常常会影响电路的性能。以下提出了接地线设计的四个原则：

　　1. 用平面布线方式（planar pattern）接地；

　　2. 用平面布线方式接电源线；

　　3. 按电路图中的信号电流走向依序逐个放置元器件；

　　4. 实验获得的数据在应用时不应做任何调整，即使受板的尺寸或其它因素影响也应原样复制数据。

　　在设计中注意以上原则和要点，可以减少电路噪声和信号干扰。除了以上的基本原则外，在设计铜线走线模式和元件放置时应谨记以下两点：布线之间会产生杂散电容;连线长度会产生阻抗。在设计中注意线间杂散电容和缩短布线长度有利于消除噪声，减少辐射的产生。

　　在上面的几个基本原则基础上，设计工程师应注意以下几点（参见图1）：

　　1. 根据电路原理图进行元件的布局，输入电流线和输出电流线应进行区别；

　　2. 合理放置元器件，保证它们之间的连线最短，以减少噪声；

　　3. 在电压变化很大和流过大电流的地方应小心设计以降低噪声；

　　4. 如果电路中采用了线圈和变压器，必须小心进行连接；

　　5. 电路设计时，将元器件放置在同一方向，便于回流焊接；

　　6. 元器件间或元器件焊盘和焊盘间必须保证0.5毫米以上的间隙，避免出现桥接。

　　PCB设计示例

　　a. 升压转换器模式布线方式

　　在升压转换器中，输出电容（CL）的位置比其它元件更重要，参考图2。建议在PCB设计时注意以下两点：

　　1. 将输出电容尽可能与IC靠近，尽量减小电流回路。

　　2. 在PCB板的背面用平面布线方法进行地线连接，板背面的接地线应通过一个过孔与板正面的接地线相连。

　　b. 降压转换器布线方式

　　在降压电路设计中，肖特基二极管的位置很关键，见图3所示。在PCB设计中注意以下几点：

　　1. 肖特基二极管接地点设计将影响输出的稳定性；

　　2. 肖特基二极管阴极连接线的长度将影响输出的稳定性；

　　3. PCB背面用大面积铜箔作为地，通过过孔与正面地连接。