构建可正常工作的DC-DC电源

本文讨论设计 DC-DC 电源时的重要考虑因素。主题包括为应用选择合适的 DC-DC 转换器;场效应管栅极电容;高开关频率和元件尺寸;方程式和计算;选择外围组件;组件放置和权衡;接地;负载和线路调节;温度敏感。

介绍

设计人员的第一个DC-DC转换器电路通常与任何其他领域的首次尝试有一个共同点：首次通电时，它工作令人满意的机会很小。这听起来像是一个令人沮丧的评估，但它仍然反映了开关模式电源设计的现实。DC-DC转换器是复杂的系统。即使通过高度集成的IC进行了简化，它们仍然需要大量的组件计算和深思熟虑的控制器IC选择。此外，它们对电路板布局和元件寄生效应（即元件不理想的特性，例如电容器中的电阻或MOSFET开关中的电容）很敏感。

DC-DC 设计信息的综合来源很少。工程教科书讨论了控制理论、环路补偿和其他非常详细的分析方法。DC-DC 转换器的数据手册提供了具体的公式和一些布局信息。用于指导基于集成电路的DC-DC转换器从头到尾的整体设计的信息较少。

设备选择

一旦选择了DC-DC设计的初始规格（例如，输入电压范围、输出电压、输出电流），第一步就是选择转换器IC。所需的 DC-DC 拓扑将缩小此选择范围。如果输入电压大于输出电压，请选择降压（即降压）拓扑。如果输入电压小于输出电压，请选择升压（即升压）配置。如果输入电压范围高于和低于输出电压，则需要降压-升压转换器或SEPIC转换器。最后，如果输出电压为负，则使用反相拓扑。

请注意，当输入超过为输出电压设置的电压时，升压DC-DC转换器输出将随输入电压上升。同样，当输入电压小于该输出时，降压转换器无法提供所需的输出。当这种情况发生时，据说它是“辍学”。

许多 DC-DC 负载要求可以通过包含集成电源开关的 DC-DC 转换器 IC 来满足。大多数此类IC包括MOSFET，但有些采用双极晶体管。较新的内部MOSFET DC-DC IC的负载电流能力可以处理高达25A的电流（例如MAX8655和MAX8686）。内部开关器件（如果有）通常是首选，这既是为了整体简单性，也是为了降低总成本。

超出内部 MOSFET 器件能力的大功率或高压应用将需要外部 MOSFET 开关。设计用于驱动外部电源开关的DC-DC转换器通常称为“控制器”。这些 IC 包括用于对外部 MOSFET 的栅极电容进行快速充电和放电的驱动器。对 MOSFET 栅极进行快速充电和放电的能力对于实现高效率转换至关重要。交换机希望在其打开和关闭状态之间花费尽可能少的时间，因为这是功率损耗最大的时间。大多数 DC-DC 控制器都规定了它们可以驱动的最大栅极电容。（请参阅下面的 MOSFET 栅极电容部分。

除了拓扑、电压和电流方面的考虑因素外，可能还有其他应用特性决定了DC-DC IC的选择。例如，在大多数汽车应用中，DC-DC转换器应该能够承受冷启动和抛负载条件以及-40°C至+125°C的温度范围。Maxim的在线参数搜索工具有助于在转换器特性和规格中进行选择。

场效应管栅极电容

功率 MOSFET 制造商在其数据手册中提供了各种动态和开关参数，以及导通电阻等直流规格。在大多数情况下，当使用带有 DC-DC 转换器的外部 MOSFET 时，总栅极电荷 （QG） 是主要关注点。选择Q值G在 DC-DC 转换器制造商推荐的范围内。使用 MOSFET 的典型 Q 值G在大多数情况下，值是可以的。最大数量通常过于保守。The QG规范用于驱动“漏极开路”低侧 n 沟道或高侧 p 沟道 MOSFET，换句话说，当 MOSFET 源在开关期间电压不变时。

在源电压在开关过程中发生变化的电路中，更有用的动态参数是反向传输电容（C.RSS).C.RSS用于根据以下公式计算降压转换器的高侧n沟道MOSFET中的开关损耗：

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

其中IGATE是峰值栅极源电流和灌电流，fSW是开关频率。

PWM和其他控制方案

最流行的 DC-DC 转换器控制方案是脉宽调制 （PWM）。PWM 转换器可在很宽的负载范围内保持恒定的开关频率。当开关噪声可能干扰系统中的其他进程时，这种行为可能很重要。将噪声限制在已知频段通常可以减轻干扰。

下一个最常见的控制方案是脉冲频率调制（PFM），其中转换器仅在负载需要时才提供开关脉冲。PFM转换器在需要低静态电流和极小负载下的高效率的应用中表现出色。一些转换器IC采用这两种方案，将良好的空闲模式效率和低噪声相结合。

IC DC-DC 转换器和控制器的开关频率范围为 65kHz 至 4MHz 以上。一般来说，最好避免使用工作频率低于100kHz的设备，因为这种频率是效率低的旧设备的典型频率。更高的开关频率允许更小的外部元件以及更低的峰值电流和I2R损耗，但磁芯损耗、栅极充电电流和开关损耗增加。（请参阅高开关频率减小元件尺寸一节。如果应用需要尽可能小的尺寸，则寻找开关频率为1MHz及以上的转换器。否则，只需选择符合电源标准的器件，并验证其开关频率不会干扰系统中的其他组件。

高开关频率减小了元件尺寸

DC-DC转换器的持续趋势是提高开关频率，以实现更小的元件尺寸。当每秒发生更多的开关周期时，每个开关周期的能量（以及存储该能量的组件的大小）可以更小。例如，电感值可以更低。电感行为由以下等式决定：

VL= L × （di/dt）

WL= （L × i2)/2

例如，考虑一个工作频率为500kHz的降压转换器，采用10μH电感。将频率更改为 1MHz 允许使用恰好一半的电感或 5μH 来实现相同的功率传输。虽然电感值降低了一半，但电流要求保持不变。第二个等式表明，我们刚刚将电感所需的能量存储减少了一半。由于电感与匝数的平方成正比，因此电感减少一半意味着匝数减少到原始位数的70.7%。减小匝数也会按比例降低直流电阻（DCR），因此产生的电感更小，DCR更低。

较高的开关频率也减小了输出电容器的尺寸。在上例中，67kHz时所需的电容为500μF，但在33MHz时仅为1μF。纹波电流规格保持不变。

选择特定器件类型（降压、升压等）后，通过查阅 DC-DC 转换器制造商的网站进行最终选择。请务必查看制造商的网站以获取最新的数据表。在那里，寻找适用于您正在考虑的器件的应用笔记。它们用作指南，通常包括无需修改即可使用的电路。从应用笔记和数据手册中，您可以获得控制器件设计的公式。

设计方程式

DC-DC转换器数据手册应包含有助于设计电路的公式。用于计算组件值的宏模型或电子表格文件也可在产品网页上找到。请务必仔细阅读IC数据手册，以确保为所需的性能和工作模式选择正确的公式。一旦知道了主要设计参数并且您有了正确的方程，评估方程的最佳工具就是电子表格（如 Excel）或工程数学程序（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图。如果所选器件具有EE-Sim模型，请使用该模型为您的设计计算适当的组件。®®

电子表格计算

电子表格是 DC-DC 转换器的有效基本设计工具。它们甚至可以用作粗糙的电路模拟器，其“求解”功能可以帮助优化组件值。当与DC-DC转换器方程一起使用时，电子表格允许采用迭代方法，通过快速指示因果关系来帮助选择元件。

例如，MAX1742是一款内部开关降压转换器。数据手册的设计程序部分提供了必要的信息和计算顺序。我们假设恒定的5V输入，3.3V输出，最大负载电流为500mA，工作频率为500kHz。

尽可能使用定义的变量名称。输入更多公式时，请使用更多名称定义这些计算的结果。选择名称，以便在以后检查计算时可以轻松记住它们的含义。

首先，在新工作表的顶部，输入所有预定值的名称（图 1）。这些名称可能包括 V英明， V英马克斯， V外我外、FREQ（频率）以及与转换器相关的其他术语。在紧挨着包含这些名称的单元格下方的单元格中，定义单元格名称以匹配上面键入的名称。

图1.在电子表格中使用单元格名称。

要定义单元格名称：选择要命名的单元格，转到“插入”菜单并选择“名称”，然后在子菜单上选择“定义”。在Excel中，会弹出一个对话框，建议（作为默认名称）所选单元格正上方的文本。若要命名单元格，请单击此对话框中的“确定”。继续跨行，直到所有这些字段都已命名。此命名过程允许您引用 V英马克斯在您的计算中而不是单元格 A2。请注意，图 1 中的选定单元格为 A2，值为 5。单元格的名称显示在标记为 A 的行的正上方。接下来，浏览设计过程并选择所有必需的元件值（表1）。请注意，为清楚起见，原始电子表格值已转换为 SI 单位。

VINMAX	VINMIN	VOUT	IOUT	Frequency
5	5	3.3	0.5	500千赫

VPMOS	VNMOS	tOFF	RTOFF
45mV	35mV	673ns	66.3kΩ

LIR_INIT	L	IPEAK
30%	14.8微高	575毫安

IRIPPLE	ESR_MIN	COUT_MIN
529.6毫安	0.22Ω	6.73微电阻

tSS	CSS
100毫秒	0.22微电阻

组件选择

使用表 1 中的值，选择 DC-DC 转换器的外围组件。检查数据手册的建议，以确保每个组件都适合该任务。如果计算出的电感值不可用，请选择下一个较小的标准值。如果没有计算出的电容器值，请选择下一个较大的标准尺寸。

电感器的选择主要基于电感值、直流电阻 （DCR） 和峰值电流要求。还要确保电感设计为在所需的开关频率下工作。如果未提供该数据，请选择另一个可提供数据的电感器。电感器有表面贴装和通孔两种版本，但一般而言，表面贴装类型具有更好的性能，特别是在高开关频率下。在我们的示例中，我们与线圈电子Thin-Pac TP1-150非常匹配，后者是具有15.0A饱和电流的73μH电感器。®

输入电容可降低从输入电源汲取的峰值电流和流向系统其他元件的辐射噪声。大多数数据手册要么建议特定值，要么给出计算输入电容值的公式。确保电容器的纹波电流额定值接近所选开关频率。对于我们的500kHz示例，电容器可以是有机电解质，有机聚合物，陶瓷或钽类型。

钽电容器可以对大的瞬时电压阶跃和高电流浪涌做出剧烈响应，因此不要使用钽进行输入旁路，输入电源将通过机械开关连接。我们的电路输入来自稳压电源，因此我们不必担心这种限制。因此，我们选择满足纹波电流额定值和电压要求的电容器，例如 C 尺寸外壳的 AVX TPS 系列 100μF 电容器，额定纹波电流为 10V 和 742mA。降压转换器中的输入电容纹波电流近似为：®

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

首先，选择符合推荐的最小值22μF的电容器，并验证其是否满足所需的额定电压。例如，采用C尺寸外壳的AVX TPS系列33μF电容器的额定工作电压为10V。其最大ESR为0.375Ω，接近目标。

软启动电容器和关闭电阻器没有特殊要求;从最接近的可用标准值中选择它们。要完成元件选择，请从典型应用电路或评估（EV）原理图中选择剩余值。

重新审视电子表格

由于电容器和电感器的标准值数量有限，因此最接近的可用值可能与计算值相差20%以上。在这种情况下，应使用实际值重新计算电子表格，以验证电路是否仍满足其设计目标。如表2所示，不需要进一步的校正，因为我们的R托夫电感的选择对电路工作点的影响最小。

Calculate tOFF and frequency using selected RTOFF value.
R托夫	t关闭	频率
68kΩ	688ns	488.8千赫
Calculate LIR and IPEAKusing selected L value.
L	利尔	我峰
15微小时	30.3%	576毫安

元件放置

在本例中布置PCB时，应首先放置DC-DC转换器IC（例如MAX1742）、电感以及输入和输出电容。然后，移动这些元件，使输入电容靠近MAX1742的输入引脚;电感靠近IC的LX引脚;输出电容靠近电感和IC的接地引脚。优化所有这些元件位置可能需要折衷，具体取决于IC引脚位置。在Maxim的DC-DC转换器IC中，引脚位置经过精心选择，以实现电路性能和PCB布局的简化。

在大多数情况下，最关键的节点是输入和输出电容与IC接地引脚之间的公共接地。这三个接地必须非常接近，通常彼此相距10mm以内（图2a和2b）。在充电周期（图2a）期间，电流从输入电容流经高端开关、电感、输出电容，穿过接地层，然后返回输入电容。在放电周期（图2b）期间，电流继续流过电感、输出电容、穿过接地层、回流IC的接地引脚、低边开关，然后流回电感。

图2.这些图显示了降压型DC-DC转换器充电（a）和放电（b）循环期间的电流路径。

由于该环流会干扰其他电路，因此其路径长度必须保持较短（短路径也有助于稳定运行和效率）。接地部分的路径长度过长（在任一周期内）都会损害电路对其他电路元件的基准电压源。这种情况还可能导致调节不良、输出纹波过大，甚至不稳定。将输入电容接地、输出电容地和IC地相邻放置，可最大程度地减少这些不良影响。

载流元件接地连接的另一个重要考虑因素是，如果接地层位于另一个PCB层上，则使用多个并行PCB过孔。这对于输入和输出滤波电容器尤其重要。单个通孔通常会增加与电容器串联的电阻和电感，从而降低其有效性。

电源接地

根据上述标准放置组件后，公共接地通过宽迹线或实心铜多边形连接。使用尽可能多的铜在元件之间创建低阻抗路径。

本地地面

许多DC-DC转换器IC的典型应用电路指示多个接地符号，这是如何实现成功电路布局的绝佳提示。其中一个不同的符号通常表示局部接地层，通常标题为SGND或AGND。连接到本地接地层的元件可以包括基准旁路电容、电阻分压器和设置工作点的电阻（如电阻R）托夫在本例中），但不应包括高电流接地，例如来自开关 MOSFET 的接地。

局部接地层是一个实心铜多边形，最好仅在一点上连接到电源接地层，通常是标题为 PGND 的引脚。本地接地层可防止开关电流污染低噪声本地接地层。这些开关电流通常超过10A。

接地层

由于许多系统依赖于PCB上所有元件的单独接地层，因此通常很容易使用DC-DC转换器部分的接地层来实现此目的。应该避免这种诱惑。上述开关电流会导致整个电路板的接地毛刺，产生过大的EMI，导致无效的逻辑状态，提高噪声水平并导致不稳定。DC-DC转换器电路和接地层之间的正确接口是单个过孔（或多个过孔的小组），从浇注的铜电源接地引向埋地接地层。

信号路由

完成初始地面布局后，为前四个关键组件进行所需的连接，然后放置和布线其余组件。一种有用的方法是将所有非关键信号通过小过孔传输到PCB的背面，同时保留电路板的顶部用于关键大电流走线的布线。

在电路板上布线非电源走线时，请考虑信号的直流和交流分量。请记住，每条走线都是电阻和电感，也可能电容耦合到其他走线。每个信号在电路中的使用决定了最佳的走线宽度和长度。高速和高电流信号需要短而宽的走线。对于不太关键的信号（如低速逻辑），更长、更细的走线是可以接受的。将高速开关节点远离敏感的模拟区域，如补偿网络和反馈节点。还要保持补偿和反馈网络尽可能小，以防止噪声拾取。如需帮助，请参考评估板PCB布局上的布局和接地指南。

验证

转换器完成并组装原型板后，应验证整体设计的性能是否符合原始标准。如果设计在所讨论的问题方面得到认真实施，那么初步成功的机会是很好的。但即使是良心设计，可能仍然需要“调整”。进行更改时，请使用计算或模型进行验证，以确保其他一些重要特征不会受到损害。例如，您可以确定输出纹波在较小的输出滤波器电容下是可以接受的，但这种变化也可能影响稳定性。

效率

效率通常是DC-DC转换器的关键性能参数，特别是对于使用电池供电的设备，尤其是笔记本电脑和小型手持设备的电源。笔记本电脑的电源效率直接影响电池寿命，但也会影响功耗;它应该与散热限制相协调。请注意，以 50% 的效率提供 85W 的 DC-DC 转换器仍会在机箱内散发 8.8W 的热量。

在笔记本电脑中，效率在各种工作条件下都很重要。示例包括低电池、充满电池以及待机和工作状态下的电池充电。在其他应用中，效率关键点取决于器件的使用方式。轻负载效率和静态工作电流在小型手持设备（如个人血糖仪）中最为重要，而满载效率和发热在网络硬件中最为关键。

负载调整率

无论负载如何，转换器都能保持在规定的输出电压容差范围内，称为负载调整率。它适用于直流电，但也包括快速瞬变，例如高速 CPU 遇到的瞬变。您应该验证输出电压在负载电流范围从零到最大值时是否保持在规格范围内。确保当负载从最小值快速变为最大值时，输出电压不会低于其最小值。确保当负载电流从最大值下降到最小值时不超过其最大值。请注意，大多数数据手册电气特性表中引用的线路和负载调整率规格是在直流电压下测量的，而瞬态性能通常以典型工作曲线表示。

线路调节

电源在变化的输入电压下维持输出电压调节的能力称为线路调整率。同样，应在直流和快速交流瞬变下进行检查。当便携式计算机从其交流适配器电源切换到其内部电池并返回时，会遇到瞬态。在某些系统中，电压变化可能高达10V。验证当输入电压从最小值变为最大值时，输出电压是否保持在规格范围内。确保输入电压的阶跃变化不会导致输出电压出现超过输出电压规格的峰值或谷值。

温度灵敏度

在实验室工作台上评估系统并判断其已准备好用于应用可能很方便，但还有一个关键条件需要检查：在最坏情况下的工作温度范围内的性能。符合上述电气标准的性能应在系统在运行期间遇到的最高和最低温度下测量。注意急剧变化的参数以及随温度变化接近上限或下限的参数。

评估系统温度变化的最佳方法是使用环境箱。该腔室可让您在很宽的温度范围内进行计算机控制的实验，精度为 1°C 或更高。在不可能使用腔室的情况下，您仍然可以使用不太复杂的设备了解过温性能。常见的热风枪甚至吹风机在测试时加热电路很有用。要将回路冷却到远低于环境温度，请用压缩惰性气体冷喷涂（在许多技术目录中提供）进行喷洒。冷却组件时，请避免冷凝。如果确实发生冷凝，请了解电路波动可能是由于电路板上的水分造成的，而不是电路对温度的敏感性。

结论

DC-DC电源设计既不是火箭科学，也不是常识。在成功的设计中需要解决的特性列表可能看起来令人生畏，但有条不紊的方法可以产生迭代最少的工作电路。通过应用本文中的原则，您可以消除大多数典型的首次设计失误。

Maxim为其大多数DC-DC转换器提供评估板。Maxim的免费EE-Sim仿真工具还可用于更可靠的电源设计，并可用于越来越多的电源器件。

审核编辑：郭婷