介绍

设计师的第一个DC-DC转换器电路通常与任何其他领域的第一次尝试有一个共同点:它在第一次通电时工作满意的机会很小。这可能听起来像一个悲观的评估，但它仍然反映了开关模式电源设计的现实。DC-DC变换器是一个复杂的系统。即使通过高度集成的IC进行简化，它们仍然需要大量的组件计算和控制器IC的深思熟虑选择。此外，它们对电路板布局和组件寄生很敏感(即，组件的特性不理想，例如电容器中的电阻或MOSFET开关中的电容)。

很少有全面的DC-DC设计信息来源。工程教科书讨论控制理论，环路补偿和其他非常详细的分析方法。DC-DC转换器的数据表给出了具体的公式和一些布局信息。可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。

本文填补了首次设计DC-DC电源的信息空白。这是作者在几十种电源电路上的失败和成功的结果。

设备的选择

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)，第一步是选择转换器IC。所需的DC-DC拓扑将缩小选择范围。如果输入电压大于输出电压，则选择降压(即降压)拓扑。如果输入电压小于输出电压，则选择升压(即升压)配置。如果输入电压高于或低于输出电压，则需要使用降压转换器或SEPIC转换器。最后，如果输出电压为负，则使用反相拓扑。

请注意，升压DC-DC转换器的输出将随着输入电压上升，当输入超过已设置的输出电压。同样，当输入电压小于输出电压时，降压变换器不能提供所需的输出。当这种情况发生时，它被称为“辍学”。

包括集成电源开关的DC-DC转换器ic可以满足许多DC-DC负载要求。大多数这样的集成电路包括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(例如，MAX8655和MAX8686)。内部开关装置，如果有的话，通常是首选的，既整体简单，(通常)总成本较低。

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”。这些集成电路包括用于快速充电和放电外部mosfet的栅极电容的驱动器。快速充电和放电MOSFET栅极的能力是实现高效率转换的关键。开关想要花费尽可能少的时间在它的导通和关断状态之间转换，因为那是功率损失最大的时候。大多数DC-DC控制器指定了它们可以驱动的最大栅极电容。(参见下面的MOSFET栅极电容部分。)

除了拓扑、电压和电流方面的考虑外，还可能有其他应用特性指导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曲柄和负载转储条件以及-40°C至+125°C的温度范围。Maxim的在线参数搜索工具可以帮助您选择转换器的功能和规格。

MOSFET门电容

功率MOSFET制造商在其数据表上提供各种动态和开关参数，以及直流规格(如导通电阻)。在大多数情况下，当使用外部mosfet与DC-DC转换器时，总栅极电荷(Q(G))是主要关注的。选择Q(G)在DC-DC转换器制造商推荐范围内的mosfet。在大多数情况下，使用MOSFET的典型Q(G)值是可以的。最大数量通常过于保守。Q(G)规格用于驱动“开漏”低侧n沟道或高侧p沟道MOSFET，或者换句话说，当MOSFET源在开关过程中不改变电压时。

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转移电容(C(RSS))。C(RSS)用于计算降压变换器高侧n沟道MOSFET的开关损耗，公式如下:

PD(切换)= (C (RSS)×V ((MAX))(2)×f (SW)×(负载))/我(门)

式中，I(GATE)为栅极源汇电流峰值，f(SW)为开关频率。

PWM和其他控制方案

最流行的DC-DC变换器控制方案是脉冲宽度调制(PWM)。PWM变换器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。将噪声限制在已知的频带内通常可以减轻干扰。

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提供开关脉冲。PFM变换器在需要低静态电流和非常小负载下的高效率的应用中表现出色。一些转换器集成电路采用两种方案，以结合良好的空转模式效率和低噪声。

IC DC-DC转换器和控制器的开关频率范围从65kHz到4MHz以上。一般来说，最好避免使用低于100kHz的设备，因为这种频率是效率较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I(2)R损耗，但铁心损耗、栅极电荷电流和开关损耗增加。(参见高开关频率减小元件尺寸一节。)如果应用程序要求尽可能小的尺寸，那么寻找开关频率在1MHz及以上的转换器。否则，只需选择符合功率标准的设备，并验证其开关频率不会干扰系统中的其他组件。

高开关频率减小元件尺寸

为了实现更小的元件尺寸，更高的开关频率是DC-DC变换器的一个持续趋势。当每秒发生更多的开关周期时，每个开关周期的能量(以及存储能量的组件的大小)可以更小。例如，电感值可以更低。电感器的行为由以下方程决定:

V(L) = L × (di/dt)

W(L) = (L × i(2))/2

例如，考虑一个工作频率为500kHz、电感为10µH的降压变换器。将频率更改为1MHz，可以使用正好一半的电感，即5µH来实现相同的功率传输。虽然电感值减少了一半，但电流要求保持不变。第二个方程表明，我们只是减少了电感所需的能量存储的一半。由于电感与匝数的平方成正比，将电感减少一半意味着匝数减少到原来的70.7%。减少匝数也按比例降低直流电阻(DCR)，因此产生的电感更小，具有更低的DCR。

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

在选择了特定的器件类型(降压、升压等)后，通过咨询DC-DC变换器制造商的网站进行最终选择。经常查看制造商的网站以获取最新的数据表。在那里，寻找适用于你正在考虑的设备的应用说明。它们作为一个指南，通常包括电路，可以使用很少或不修改。从应用说明和数据表中，您可以获得控制设备设计的方程。

设计方程

DC-DC转换器的数据表应该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以在产品网页上获得。请务必仔细阅读IC数据表，以确保您为所需的性能和工作模式选择适当的方程。一旦知道了主要的设计参数，并且有了正确的方程，评估方程的最佳工具就是Excel 之类的电子表格或MathCAD之类的工程数学程序。Maxim的EE-Sim 工具生成具有高效仿真引擎的交互式原理图。如果所选设备具有EE-Sim模型，请使用该模型来计算适合您设计的组件。

电子表格计算

电子表格是一种有效的DC-DC转换器的基本设计工具。它们甚至可以作为粗糙的电路模拟器，它们的“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，电子表格允许通过快速指示因果关系来帮助组件选择的迭代方法。

例如，考虑内部开关降压转换器MAX1742。数据表的设计程序部分给出了必要的信息和计算顺序。假设输入恒定5V，输出3.3V，最大负载电流为500mA，工作频率为500kHz。

尽可能使用已定义的变量名。当您输入更多的方程时，用更多的名称定义这些计算的结果。选择这些名字时，你可以很容易地记住它们的意思，当你检查计算后。

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(INMIN)、V(INMAX)、V(OUT)、I(OUT)、FREQ(频率)以及与转换器相关的其他术语。在包含这些名称的单元格正下方的单元格中，定义与上面键入的名称匹配的单元格名称。

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)所选单元格上方的文本。若要命名单元格，请单击此对话框上的“确定”。继续遍历该行，直到所有这些字段都已命名。这个命名过程允许您在计算中引用V(INMAX)而不是单元格A2。注意，图1中选择的单元格是A2，其值为5。单元格的名称显示在标记为a的行上方。接下来，浏览设计过程并选择所有所需的组件值(表1)。注意，为了清晰起见，原始电子表格值已转换为SI单位。

组件选择

使用表1中的值，选择DC-DC转换器的外围组件。检查数据表建议，以确保每个组件适合任务。如果计算的电感值不可用，请选择下一个较小的标准值。如果计算出的电容值不可用，请选择下一个较大的标准尺寸。

电感的选择主要基于电感值、直流电阻(DCR)和峰值电流要求。还要确保电感器被设计成在所需的开关频率下工作。如果没有提供该数据，请选择另一个数据可用的电感器。电感有表面贴装和通孔两种版本，但一般来说，表面贴装类型的性能更好，特别是在高开关频率下。在我们的示例中，我们与Coiltronics Thin-Pac TP1-150紧密匹配，这是一个15µH的电感器，饱和电流为0.73A。

输入电容减少了从输入电源提取的峰值电流，并减少了系统其他元件的额定噪声。大多数数据表要么给出具体值，要么给出计算输入电容值的公式。确保电容器指定的纹波电流额定值接近所选的开关频率。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。

钽电容器对大的瞬时电压阶跃和大的电流浪涌反应剧烈，所以不要使用钽作为输入旁路，输入电源将通过机械开关连接。我们的电路输入来自一个稳压电源，所以我们不需要担心这个限制。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AVX TPS系列100µF C尺寸电容器，额定纹波电流为10V和742mA。降压变换器的输入电容纹波电流可近似为:

我(RIPPLE_CIN (RMS)) =(我 / V  ] [V(出)(V    )) (1/2)

首先，选择满足建议最小值22µF的电容器，并验证其是否满足所需的额定电压。对于我们的例子，AVX TPS系列33µF电容器在C尺寸的情况下，额定工作电压为10V。其最大ESR为0.375欧姆，接近目标。

软启动电容和t(OFF)电阻无特殊要求;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)套件原理图中选择剩余值。

电子表格重新审视

由于电容器和电感的标准值是有限的，最接近的可用值可能与计算值相差20%以上。在这种情况下，电子表格应该用实际值重新计算，以验证电路仍然满足其设计目标。如表2所示，不需要进一步校正，因为我们的R(TOFF)和电感选择对电路工作点的影响最小。

组件的位置

在为本示例布置PCB时，您应该首先放置DC-DC转换器IC(例如MAX1742)，电感器以及输入和输出电容器。然后，移动这些元件，使输入电容靠近MAX1742的输入引脚;电感器靠近IC的LX引脚;输出电容靠近电感器和集成电路的接地引脚。根据IC引脚位置的不同，优化所有这些元件位置可能需要做出妥协。在Maxim的DC-DC转换器ic中，引脚位置经过精心选择，以实现电路性能和易于PCB布局。

在大多数情况下，最关键的节点是输入、输出电容与集成电路接地引脚之间的公共接地。这三个接地必须非常接近，通常相距不超过10mm(图2a和图2b)。在充电周期(图2a)中，电流从输入电容流过高侧开关、电感、输出电容，穿过地平面，再流回输入电容。在放电周期(图2b)中，电流继续流过电感、输出电容，穿过接地平面，通过IC的接地引脚，通过低侧开关，并返回电感。

因为这种循环电流会干扰其他电路，所以它的路径长度必须保持短(短路径也有助于稳定运行和效率)。接地部分的路径长度太长(在任何一个周期内)都会损害电路对其他电路元件的参考。这种情况也可能导致监管不力、输出波动过大，甚至不稳定。将输入电容地、输出电容地和集成电路地相邻放置可以最大限度地减少这些不必要的影响。

载流元件接地连接的另一个重要考虑因素是，如果接地面在另一个PCB层上，则使用多个并联PCB过孔。这对于输入和输出滤波电容器尤其重要。单通孔常常与电容器串联增加电阻和电感，从而降低其效率。

权力的地面

根据上述标准放置组件后，公共地要么用宽走线连接，要么用实心铜多边形连接。使用尽可能多的铜来创建元件之间的低阻抗路径。

当地的地面

许多DC-DC转换器ic的典型应用电路显示了多个接地符号，这是如何完成成功电路布局的一个很好的提示。其中一种不同的符号通常表示局部地平面，通常称为SGND或AGND。连接到本地接地平面的元件可以包括参考旁路电容器、电阻分压器和设置工作点的电阻(如示例中的电阻R(TOFF))，但不应包括来自开关mosfet的大电流接地。

本地接平面是一个实心铜多边形，最好只在一点上连接到电源接平面，通常是名为PGND的引脚。本接地面可以防止开关电流污染低噪声的本接地面。这些开关电流通常超过10A。

地平面

由于许多系统依赖于PCB上所有组件的单独接地平面，因此通常很容易使用DC-DC转换器部分的接地平面来实现该目的。应该避免这种诱惑。上述开关电流会导致接地故障，产生过多的电磁干扰，导致无效的逻辑状态，提高噪声水平，并导致不稳定。DC-DC转换器电路与地平面之间的适当接口是单通孔(或多个通孔的小分组)，从倒铜电源地到埋地平面。

信号路由

完成初始接地布置图后，需要对关键部件的前4个部件进行连接，然后对其余部件进行布放和走线。一种有用的方法是用小过孔将所有非关键信号带到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。

当在电路板上布线非电源走线时，要考虑信号的直流和交流分量。记住，每个走线都是一个电阻和一个电感，也可以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走线宽度和长度。高速和大电流信号需要短而宽的走线。对于低速逻辑等不太关键的信号，更长的、更细的走线是可以接受的。路由高速交换节点远离敏感区域，如补偿网络和反馈节点。也保持补偿和反馈网络尽可能小，以防止噪声拾取。如果有，请参考EV套件的PCB布局和接地指南。

验证

在转换器完成并组装原型板后，应根据原始标准验证整体设计的性能。如果根据所讨论的问题勤奋地实现了设计，那么最初成功的机会是很大的。但即使是认真的设计也可能需要“调整”。在进行更改时，请使用计算或模型进行验证，以确保不会损害其他一些重要特性。例如，您可以确定输出纹波可以接受较小的输出滤波器电容，但这种变化也可能影响稳定性。

效率

效率通常是一个关键的DC-DC转换器性能参数，特别是对于由电池供电的设备，尤其是笔记本电脑和小型手持设备中的电源。笔记本电脑供电效率直接影响电池寿命，同时也影响功耗;它应与散热限制相协调。请注意，以85%的效率提供50W的DC-DC转换器仍然会在外壳内散发8.8W的热量。

在笔记本电脑中，效率在各种操作条件下都很重要。示例包括低电量、满电量以及待机和工作状态下的电池充电。在其他应用中，效率关键点取决于设备的使用方式。轻载效率和静态工作电流在小型手持设备(如个人血糖仪)中是最重要的，而在网络硬件中，满载效率和发热是最关键的。

负载调整率

无论负载如何，转换器保持在指定输出电压容限内的能力称为负载调节。它适用于直流，但也包括高速cpu遇到的快速瞬变。当负载从零到最大值的电流时，应验证输出电压是否保持在规格范围内。当负载从最小值到最大值快速变化时，确保输出电压不低于其最小值。当负载电流由最大值降至最小值时，确保不超过其最大值。请注意，大多数数据表电气特性表中引用的线路和负载调节规格是在直流下测量的，而瞬态性能通常显示在典型的工作曲线中。有关更多信息，请参阅应用说明752，“创建快速负载瞬态”和3453，“测试线路和负载瞬态电源”。

行监管

电源在改变输入电压的情况下保持输出电压调节的能力称为线路调节。同样，它应该在直流和快速交流瞬态下进行检查。当笔记本电脑从其交流适配器电源切换到其内部电池电源并返回时，会遇到瞬变。在一些系统中，电压变化可以大到10V。当输入电压由最小值变为最大值时，检查输出电压是否在规定范围内。确保输入电压的阶跃变化不会导致输出电压的峰值或谷值超过输出电压规格。

温度敏感性

在实验室工作台上评估系统并判断它是否准备好应用可能很方便，但还有一个更关键的条件需要检查:在最坏工作温度范围内的性能。应在系统运行过程中遇到的最高和最低温度下测量符合上述电气标准的性能。注意参数的急剧变化和那些接近上限或下限的温度。

评估系统温度过高的最佳方法是使用环境箱。该腔室允许您在广泛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。普通的热风枪甚至吹风机在测试时加热电路都是有用的。要使电路冷却到低于环境温度，可以用压缩惰性气体冷喷雾(在许多技术目录中都有提供)喷射电路。冷却部件时，应避免冷凝。如果确实发生冷凝，请理解电路波动可能是由于电路板上的水分引起的，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。在一个成功的设计中需要解决的特性列表可能看起来令人生畏，但是一个有条不紊的方法可以用最少的迭代产生一个工作电路。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错误。

Maxim为其大多数DC-DC转换器提供EV套件。Maxim的免费EE-Sim仿真工具也可用于更可靠的电源设计，并可用于越来越多的电源设备。