開關電源的原理及選型(DC-DC)

使用開關電源關注參數：

1.輸出精度

2.紋波

3.動態響應速度

4.溫度

5.效率

開關電源原理：

1.通過開關的打開和閉合產生周期性的方波，如12V的輸入電壓，5V的輸出電壓，則方波的高低電平的比例是5：7;也就是PWM波，通過改變方波的占空比來調整輸出。

為方便記憶：可以將開關電源里內部的開關理解成小人才周期性的打開和閉合開關。

實際設計中，開關是用mos管代替的，內部有反饋控制電路用于控制，開關的閉合頻率，調整高低電平的比例，達到輸出平緩的電壓。

波形分析：

負載處的實際的電壓波形，如12V波形所示，而我們所需要的是5V所示的波形，從圖中可以看出，在相同時間內，兩處的面積是相等的，所以我們只是需要將12V的電壓波形，濾波成5V即可。

加入電容后，將多余的電能儲存起來，似乎就可以得到輸出平穩的波形;實際輸出的電壓波形，也不是我想要的波形，且電流波形也會有尖刺，原因是電容兩端電壓不能突變。

理論上du突然變大，時間dt無窮小，導致電流無窮大。

當開關閉合的時候，電容的兩端也因為電壓瞬間增大到12V，導致芯片的輸出電流瞬間變成無窮大，也就是尖峰電流。

解決電流突變的辦法：可以加入個電阻，R1通過測量確實可以產生輸出電壓5V的電壓;

但電阻本身消耗能量，發熱明顯。所以可以我們可以將電阻用電感替換(電感理論上是不消耗能量的)，且電感兩端的電流不能突變。

加入電感后電流波形如上，看上去解決了電容的充電電流過大的問題，但實際上，電感的電流是不能突變的，所以當mos管斷開的時候，電感的一端懸空了，電流無法釋放。所以給電感加入一個續流二極管，給電感提供一個釋放電流的回路。

也就是說有電感的時候必須要有續流回路，原因是電感上的電流不能突變。

DC-DC拓補圖就出來了，簡要分析下：

a點電壓波形是周期性矩形波，b點電壓經過電感，電容濾波，輸出平穩的電壓(肯定有紋波的存在)，電流波形：電流被分成了兩部分，負載上是直流分量，交流分量在電容上流過。

同步整流，異步整流

當續流二極管用mos管代替時，而且要保證兩個mos管的開關性相反，這就是同步整流電路，優點：功耗低，效率高。

開關電源的選型-同步整流

開關電源內部包含mos管，適用于小電流的場景，一般小于5A，稱為轉換器。

開關電源內部不包含mos管，根據電流的使用場景，選擇外部的mos管，稱為控制器。

舉例：輸出電流3A

所以可以采用轉換器。

芯片選擇(DC-DC)

1.先從廠家入手(國產：微盟，芯龍，矽力杰，鈺太。國外：TI，mps，adi等)

2.選擇電壓范圍

3.輸出電流

4.靜態電流-輸出電流為0的時候需要消耗的功率，一般低功耗需要考慮。

5.反饋電壓

6.開關頻率

7.同步或者異步，一般選擇同步

8.封裝-選擇好焊接的-是否好購買

外圍電感和電容的選型

1.電感選擇-手冊有詳細說明

飽和電流：電流增加，電感的感值將減小，當電感感值小于一定數值時，電感就失去作用，此時電流為飽和電流。

所以電感的飽和電流最少要4.2A以上

2.輸入電容

3.輸出電容

總結：

詳細說明：

1.輸入/輸出電壓(Input &Output Voltage)：Vin/Vout

要按照器件的推薦工作電壓范圍選用，并且要考慮實際電壓的波動范圍，確保不能超出器件規格。

2.輸出電流(Output Current)：Iout

器件持續的輸出電流能力是一個重要的參數，選用時要參考此參數，并要保留一定的余量。

此參數的選取還要評估電路的瞬間峰值電流和發熱的情況，綜合來確定，并滿足降額要求。

3.紋波(Output ripple)：Vpk-pk

紋波是衡量電路的輸出電壓波動的重要參數。要關注輕載和重載紋波，一般輕載紋波要大。注意核電等場合下輕載紋波是否會超出要求。實際測試下各種場景負載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測試。

4.效率(Efficiency)：

要同時關注輕載和重載兩種情況。輕載會影響待機功率，重載影響溫升。通常看12V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。

5.瞬態響應 (Transient response)：

瞬態響應特性反應負載劇烈變化時系統是否能及時調整以保證輸出電壓的穩定。要求輸出電壓波動越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。

實際要注意按推薦值選用反饋電容。常見取值在22p到120pF。

6.開關頻率(Switching Frequency)：fsw

常用的開關頻率多數在500kHz以上。較高的開關頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開關損耗增加IC散熱設計要好，故主要集中在5V低壓輸入小電流的產品。開關頻率關系到電感電容的選用，其它如EMC，輕載下噪音等問題也與之有關。

7.反饋參考電壓及精度(Feedback Voltage &output accuracy)：Vref

反饋電壓要與內部的參考電壓相比較，配合外部的反饋分壓電阻，輸出不同電壓。不同產品的參考電壓會有不同，如0.6~0.8V，替換時注意調整反饋電阻。反饋電阻要選用1%精度，只要根據廠家推薦來選，一般不要選的過大，以免影響穩定性。

參考電壓精度影響輸出準確度，常見精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產品成本會有差別。根據需要選擇。

8.線性穩定度和負載穩定度(line/load regulation)：

線性穩定度反應輸入電壓變化輸出電壓穩定性。負載穩定度反應輸出負載變化輸出電壓穩定性。一般要求1%，最大不要超3%。

EN電平：

EN高低電平要滿足器件規格要求，有些IC不能超出特定電壓范圍;電阻分壓時注意滿足及時關斷，并且考慮電壓波動最大范圍內要滿足。由于時序控制的需要，該引腳會增加電容，為了電平調節和關斷放電，同時要有對地電阻。

10.保護性能：

要有過流保護OCP，過熱保護OTP等，并且保護后條件消失能自恢復。

11.其它：

要求有軟啟動;熱阻和封裝;使用溫度范圍要能覆蓋高低溫等。

外圍器件選擇的要求

1.輸入電容：要滿足耐壓和輸入紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍以上輸入電壓。注意瓷片電容的實際容量會隨直流電壓的偏置影響而減少。

2.輸出電容：要滿足耐壓和輸出紋波的要求。一般耐壓要求1.5~2倍 。

紋波和電容的關系： BST電容:按照規格書推薦值。一般0.1uF-1uF。耐壓一般要高于輸入電壓。

3.電感：不同輸出電壓的要求感量不同;注意溫升和飽和電流要滿足余量要求，一般最大電流的1.2倍以上(或者電感的飽和電流必須大于最大輸出電流+0.5*電感紋波電流)。通常選擇合適的電感值L，使ΔIL占輸出電流的30% to 50%。計算公式：

4 VCC電容：按規格書 要求取值，不能減小，也不要太大，注意耐壓。

5.反饋電容：按規格書 要求取值，不同廠家芯片取值不同，輸出電壓不同也會有不同的要求。

6.反饋電阻和EN分壓電阻：要求按規格書取值，精度1%。

PCB設計要求

1.輸入電容就近放在芯片的輸入Vin和功率的PGND，減少寄生電感的存在，因為輸入電流不連續，寄生電感引起的噪聲對芯片的耐壓以及邏輯單元造成不良影響 。電容地端增加過孔，減少阻抗。

2.功率回路盡可能的短粗，保持較小的環路面積，較少噪聲輻射。SW是噪聲源，保證電流的同時保持盡量小的面積，遠離敏感的易受干擾的位置。如，電感靠近SW引腳，遠離反饋線。輸出電容靠近電感，地端增加地過孔。

3.VCC電容應就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號地之間，盡量在一層，不要有過孔。

4.FB是芯片最敏感，最容易受干擾的部分，是引起系統不穩定的最常見原因 。

1)FB電阻連接到FB管腳竟可能短，靠近IC放置，減少噪聲的耦合;FB下分壓電阻通常接信號地AGND;

2)遠離噪聲源，SW點，電感，二極管(非同步buck);FB走線包地;

3)大電流負載的FB在負載遠端取，反饋電容走線要就近取。

5.BST的電容走線盡量短，不要太細。

6.芯片散熱要按設計要求，盡量在底下增加過孔散熱。

來源：本文轉自CSDN-temp超