開關(guān)電源的原理及選型(DC-DC)

　　使用開關(guān)電源關(guān)注參數(shù)：

　　1.輸出精度

　　2.紋波

　　3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度

　　4.溫度

　　5.效率

　　開關(guān)電源原理：

　　1.通過開關(guān)的打開和閉合產(chǎn)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(diào)整輸出。

　　為方便記憶：可以將開關(guān)電源里內(nèi)部的開關(guān)理解成小人才周期性的打開和閉合開關(guān)。

　　實(shí)際設(shè)計(jì)中，開關(guān)是用mos管代替的，內(nèi)部有反饋控制電路用于控制，開關(guān)的閉合頻率，調(diào)整高低電平的比例，達(dá)到輸出平緩的電壓。

　　波形分析：

　　負(fù)載處的實(shí)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(shí)間內(nèi)，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(chǔ)存起來，似乎就可以得到輸出平穩(wěn)的波形;實(shí)際輸出的電壓波形，也不是我想要的波形，且電流波形也會(huì)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(shí)間dt無窮小，導(dǎo)致電流無窮大。

　　當(dāng)開關(guān)閉合的時(shí)候，電容的兩端也因?yàn)殡妷核查g增大到12V，導(dǎo)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(gè)電阻，R1通過測(cè)量確實(shí)可以產(chǎn)生輸出電壓5V的電壓;

　　但電阻本身消耗能量，發(fā)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(shí)際上，電感的電流是不能突變的，所以當(dāng)mos管斷開的時(shí)候，電感的一端懸空了，電流無法釋放。所以給電感加入一個(gè)續(xù)流二極管，給電感提供一個(gè)釋放電流的回路。

　　也就是說有電感的時(shí)候必須要有續(xù)流回路，原因是電感上的電流不能突變。

　　DC-DC拓補(bǔ)圖就出來了，簡(jiǎn)要分析下：

　　a點(diǎn)電壓波形是周期性矩形波，b點(diǎn)電壓經(jīng)過電感，電容濾波，輸出平穩(wěn)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(fù)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(dāng)續(xù)流二極管用mos管代替時(shí)，而且要保證兩個(gè)mos管的開關(guān)性相反，這就是同步整流電路，優(yōu)點(diǎn)：功耗低，效率高。

　　開關(guān)電源的選型-同步整流

　　開關(guān)電源內(nèi)部包含mos管，適用于小電流的場(chǎng)景，一般小于5A，稱為轉(zhuǎn)換器。

　　開關(guān)電源內(nèi)部不包含mos管，根據(jù)電流的使用場(chǎng)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(zhuǎn)換器。

　　芯片選擇(DC-DC)

　　1.先從廠家入手(國(guó)產(chǎn)：微盟，芯龍，矽力杰，鈺太。國(guó)外：TI，mps，adi等)

　　2.選擇電壓范圍

　　3.輸出電流

　　4.靜態(tài)電流-輸出電流為0的時(shí)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(guān)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(gòu)買

　　外圍電感和電容的選型

　　1.電感選擇-手冊(cè)有詳細(xì)說明

　　飽和電流：電流增加，電感的感值將減小，當(dāng)電感感值小于一定數(shù)值時(shí)，電感就失去作用，此時(shí)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(jié)：

　　詳細(xì)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(shí)際電壓的波動(dòng)范圍，確保不能超出器件規(guī)格。

　　2.輸出電流(Output Current)：Iout

　　器件持續(xù)的輸出電流能力是一個(gè)重要的參數(shù)，選用時(shí)要參考此參數(shù)，并要保留一定的余量。

　　此參數(shù)的選取還要評(píng)估電路的瞬間峰值電流和發(fā)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(dòng)的重要參數(shù)。要關(guān)注輕載和重載紋波，一般輕載紋波要大。注意核電等場(chǎng)合下輕載紋波是否會(huì)超出要求。實(shí)際測(cè)試下各種場(chǎng)景負(fù)載下的情況。通常選用示波器20M帶寬來測(cè)試。

　　4.效率(Efficiency)：

　　要同時(shí)關(guān)注輕載和重載兩種情況。輕載會(huì)影響待機(jī)功率，重載影響溫升。通?？?2V輸入，5V輸出下10mA的效率，一般要80%以上。

　　5.瞬態(tài)響應(yīng) (Transient response)：

　　瞬態(tài)響應(yīng)特性反應(yīng)負(fù)載劇烈變化時(shí)系統(tǒng)是否能及時(shí)調(diào)整以保證輸出電壓的穩(wěn)定。要求輸出電壓波動(dòng)越小越好，一般按峰峰值10%以下要求。

　　實(shí)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(guān)頻率(Switching Frequency)：fsw

　　常用的開關(guān)頻率多數(shù)在500kHz以上。較高的開關(guān)頻率1.2M到2M的也有，由于頻率高開關(guān)損耗增加IC散熱設(shè)計(jì)要好，故主要集中在5V低壓輸入小電流的產(chǎn)品。開關(guān)頻率關(guān)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(guān)。

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

　　反饋電壓要與內(nèi)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(chǎn)品的參考電壓會(huì)有不同，如0.6~0.8V，替換時(shí)注意調(diào)整反饋電阻。反饋電阻要選用1%精度，只要根據(jù)廠家推薦來選，一般不要選的過大，以免影響穩(wěn)定性。

　　參考電壓精度影響輸出準(zhǔn)確度，常見精度在2%以下，如1%~1.5%,精度高的產(chǎn)品成本會(huì)有差別。根據(jù)需要選擇。

　　8.線性穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度(line/load regulation)：

　　線性穩(wěn)定度反應(yīng)輸入電壓變化輸出電壓穩(wěn)定性。負(fù)載穩(wěn)定度反應(yīng)輸出負(fù)載變化輸出電壓穩(wěn)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(guī)格要求，有些IC不能超出特定電壓范圍;電阻分壓時(shí)注意滿足及時(shí)關(guān)斷，并且考慮電壓波動(dòng)最大范圍內(nèi)要滿足。由于時(shí)序控制的需要，該引腳會(huì)增加電容，為了電平調(diào)節(jié)和關(guān)斷放電，同時(shí)要有對(duì)地電阻。

　　10.保護(hù)性能：

　　要有過流保護(hù)OCP，過熱保護(hù)OTP等，并且保護(hù)后條件消失能自恢復(fù)。

　　11.其它：

　　要求有軟啟動(dòng);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(shí)際容量會(huì)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(guān)系： BST電容:按照規(guī)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(jì)算公式：

　　4 VCC電容：按規(guī)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(guī)格書 要求取值，不同廠家芯片取值不同，輸出電壓不同也會(huì)有不同的要求。

　　6.反饋電阻和EN分壓電阻：要求按規(guī)格書取值，精度1%。

　　PCB設(shè)計(jì)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?yàn)檩斎腚娏鞑贿B續(xù)，寄生電感引起的噪聲對(duì)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(huán)路面積，較少噪聲輻射。SW是噪聲源，保證電流的同時(shí)保持盡量小的面積，遠(yuǎn)離敏感的易受干擾的位置。如，電感靠近SW引腳，遠(yuǎn)離反饋線。輸出電容靠近電感，地端增加地過孔。

　　3.VCC電容應(yīng)就近放置在芯片的VCC管腳和芯片的信號(hào)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(tǒng)不穩(wěn)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(hào)地AGND;

　　2)遠(yuǎn)離噪聲源，SW點(diǎn)，電感，二極管(非同步buck);FB走線包地;

　　3)大電流負(fù)載的FB在負(fù)載遠(yuǎn)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(xì)。

　　6.芯片散熱要按設(shè)計(jì)要求，盡量在底下增加過孔散熱。