硬件设计之一——电源设计02：DCDC设计

• DCDC概念

DCDC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器.

具体表示的是将某一电压等级的直流电源变换其他电压等级直流电源的装置。DC/DC按电压等级变换关系分升压电源和降压电源两类，按输入输出关系分隔离电源和无隔离电源两类。

• 一般应用

      一般产品中降压DCDC和LDO应用比较多，我们能看到的电子产品中都有它的身影，LDO我们下篇介绍；有些特殊产品或场合会用到升压DCDC，比如有些车载产品，或者有高压直流器件等；综合来说，这类器件广泛应用于邮电、通信、电力、煤矿、航空航天、军工、监控系统、铁路信号、医疗设备、仪器仪表、显示屏、自动化控制、有线电视等领域。

• 选用考量因素：

dcdc电源芯片除了最基本的电压转换性能外，还常常需要考虑以下几个方面的参数：

1． 额定功率

一般建议实际使用功率是dc-dc电源芯片额定功率的30～80%为宜，也就是降额70%使用，这个功率范围内dc-dc电源芯片各方面性能发挥都比较充分而且稳定可靠。负载太轻造成资源浪费，太重则对温升、可靠性等不利。所有dc-dc电源芯片均有一定的过载能力，但是仍不建议长时间工作在过载条件下，毕竟这是一种短时应急之计。

2．封装形式

dc-dc电源芯片的封装形式多种多样，符合国际标准的也有，非标准的也有，就同一公司产品而言，相同功率产品有不同封装，相同封装有不同功率，那么怎么选择封装形式呢？主要有三个方面：

• 一定功率条件下体积要尽量小，这样才能给系统其他部分更多空间更多功能；

• 尽量选择符合国际标准封装的产品，因为兼容性较好，不局限于一两个供货厂家；

• 应具有可扩展性，便于系统扩容和升级。选择一种封装，系统由于功能升级对电源功率的要求提高,电源芯片封装依然不变,系统线路板设计可以不必改动,从而大大简化了产品升级更新换代，节约时间。

3．温度范围与降额使用

一般厂家的dcdc电源芯片都有几个温度范围产品可供选用：商品级、工业级、军用级等，在选择dc-dc电源芯片时一定要考虑实际需要的工作温度范围，因为温度等级不同材料和制造工艺不同价格就相差很大，选择不当还会影响使用，因此不得不慎重考虑。可以有两种选择方法：一是根据使用功率和封装形式选择，如果在体积（封装形式）一定的条件下实际使用功率已经接近额定功率，那么模块标称的温度范围就必须严格满足实际需要甚至略有裕量。二是根据温度范围来选，如果由于成本考虑选择了较小温度范围的产品，但有时也有温度逼近极限的情况，怎么办？最常用的方法就是降额使用。即选择功率或封装更大一些的产品，这样“大马拉小车”，温升要低一些，能够从一定程度上缓解这一矛盾。总之要么选择宽温度范围的产品，功率利用更充分，封装也更小一些，但价格较高；要么选择一般温度范围产品，价格低一些，功率裕量和封装形式就得大一些，所以很多时候需要工程师进行折衷考虑。

4．工作频率

一般而言工作频率越高，输出纹波噪声就更小，电源动态响应也更好，但是对元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本会有增加，所以dc/dc电源芯片开关频率多为在300kHz以下，甚至有的只有100kHz左右，这样就难以满足负载变条件下动态响应的要求，因此高要求场合应用要考虑采用高开关频率的产品。近几年也有工作频率为1MHz或者3MHz的产品，应对产品日益提升的要求。

另外一方面当dc-dc电源芯片开关频率接近信号工作频率时容易引起差拍振荡，选用时也要考虑到这一点。

5．故障保护功能

有关统计数据表明，dcdc电源芯片在预期有效时间内失效的主要原因是外部故障条件下损坏。而正常使用失效的机率是很低的。因此延长寿命、提高系统可靠性的重要一环是选择保护功能完善的产品，即在电源外部电路出现故障时模块电源能够自动进入保护状态而不至于永久失效，外部故障消失后应能自动恢复正常。电源设计的保护功能应至少包括输入过压、欠压、软启动保护；输出过压、过流、短路保护，大功率产品还应有过温保护等。

6．功耗和效率

根据公式 ，其中Pin、Pout、P耗分别为模块电源输入、输出功率和自身功率损耗。由此可以看出，输出功率一定条件下，模块损耗P耗越小，则效率越高，温升就低，寿命更长。除了满载正常损耗外，还有两个损耗值得注意：空载损耗和短路损耗（输出短路时模块电源损耗），因为这两个损耗越小，表明模块效率越高，特别是短路未能及时采取措施的情况下，可能持续较长时间，短路损耗越小则因此失效的机率也大大减小。当然损耗越小也更符合节能的要求。

• 设计考量

在设计电源模块的时候，第一时间要把该电源IC的datasheet资料下载好，查看里面的说明；

说明部分都会对外围器件参数的选择给出详细的讲解和计算的公式，有些厂商还会给出参考BOM；每做一款新的DCDC芯片，都要对所有参数的计算过程进行详细的了解，以及实际的计算；

原理部分这样做就好了；

PCB部分的要点在于以下几个方面：

1、一般DCDC电源布局先找到主电流流向，先布置主电流一般为“一”或者“L”型

2、电感靠近输出（SW）位置，外置肖特基二极管放置在（SW）附近

3、反馈采样点（电压取样点）应该在滤波电容之后，这样纹波会尽量减小 ，反馈路径尽量短；

4、滤波电容位置应根据电流的流向布置

LAYOUT方面一般要考虑好3个回路。

下图两个回路是电流回路，PCB上要将他们的面积做到最小，否则电源质量，以及干扰会比较大；

 

另外一个是高频回路，高频回路不好的话会产生很强的EMC干扰 ；     

以SEPIC电路为例

在开关管Q1导通和断开的两个状态中，L1和L2上的电流都是一个渐变的过程，所以L1和L2不是电路中的高频部分。

Q1自己通过的电流变化是一个高频变化的量。

二极管D1是一个高频变化的量，当Q1导通时，D1上的电流瞬间变为0。

所以电路中的高频部分就是Q1和D1，但是这还不完整，我们得看看高频部分的完整回路。

上图画出了BUCK、BOOST、SEPIC的高频回路。

其中SEPIC电路中高频回路是由Q1、Cs、D1、Cout组成，所以在布局的时候把这四个元器件尽量摆放的近一点，让它们首尾相连，使得整个电流回路面积尽量小，这样对外产生的干扰就会小。

BUCK、BOOST电路也是一样的，使高频回路的面积尽量小即可减少干扰。

另外，在设计Layout时尽量单面布局，让DC-DC的背面有一个完整的地平面。