硬體設計之一——電源設計02：DCDC設計

• DCDC概念

DCDC的意思是直流變（到）直流（不同直流電源值的轉換），隻要符合這個定義都可以叫DCDC轉換器.

具體表示的是将某一電壓等級的直流電源變換其他電壓等級直流電源的裝置。DC/DC按電壓等級變換關系分升壓電源和降壓電源兩類，按輸入輸出關系分隔離電源和無隔離電源兩類。

• 一般應用

      一般産品中降壓DCDC和LDO應用比較多，我們能看到的電子産品中都有它的身影，LDO我們下篇介紹；有些特殊産品或場合會用到升壓DCDC，比如有些車載産品，或者有高壓直流器件等；綜合來說，這類器件廣泛應用于郵電、通信、電力、煤礦、航空航天、軍工、監控系統、鐵路信号、醫療裝置、儀器儀表、顯示屏、自動化控制、有線電視等領域。

• 選用考量因素：

dcdc電源晶片除了最基本的電壓轉換性能外，還常常需要考慮以下幾個方面的參數：

1． 額定功率

一般建議實際使用功率是dc-dc電源晶片額定功率的30～80%為宜，也就是降額70%使用，這個功率範圍内dc-dc電源晶片各方面性能發揮都比較充分而且穩定可靠。負載太輕造成資源浪費，太重則對溫升、可靠性等不利。所有dc-dc電源晶片均有一定的過載能力，但是仍不建議長時間工作在過載條件下，畢竟這是一種短時應急之計。

2．封裝形式

dc-dc電源晶片的封裝形式多種多樣，符合國際标準的也有，非标準的也有，就同一公司産品而言，相同功率産品有不同封裝，相同封裝有不同功率，那麼怎麼選擇封裝形式呢？主要有三個方面：

• 一定功率條件下體積要盡量小，這樣才能給系統其他部分更多空間更多功能；
• 盡量選擇符合國際标準封裝的産品，因為相容性較好，不局限于一兩個供貨廠家；
• 應具有可擴充性，便于系統擴容和更新。選擇一種封裝，系統由于功能更新對電源功率的要求提高,電源晶片封裝依然不變,系統線路闆設計可以不必改動,進而大大簡化了産品更新更新換代，節約時間。

3．溫度範圍與降額使用

一般廠家的dcdc電源晶片都有幾個溫度範圍産品可供選用：商品級、工業級、軍用級等，在選擇dc-dc電源晶片時一定要考慮實際需要的工作溫度範圍，因為溫度等級不同材料和制造技術不同價格就相差很大，選擇不當還會影響使用，是以不得不慎重考慮。可以有兩種選擇方法：一是根據使用功率和封裝形式選擇，如果在體積（封裝形式）一定的條件下實際使用功率已經接近額定功率，那麼子產品标稱的溫度範圍就必須嚴格滿足實際需要甚至略有裕量。二是根據溫度範圍來選，如果由于成本考慮選擇了較小溫度範圍的産品，但有時也有溫度逼近極限的情況，怎麼辦？最常用的方法就是降額使用。即選擇功率或封裝更大一些的産品，這樣“大馬拉小車”，溫升要低一些，能夠從一定程度上緩解這一沖突。總之要麼選擇寬溫度範圍的産品，功率利用更充分，封裝也更小一些，但價格較高；要麼選擇一般溫度範圍産品，價格低一些，功率裕量和封裝形式就得大一些，是以很多時候需要工程師進行折衷考慮。

4．工作頻率

一般而言工作頻率越高，輸出紋波噪聲就更小，電源動态響應也更好，但是對元器件特别是磁性材料的要求也越高，成本會有增加，是以dc/dc電源晶片開關頻率多為在300kHz以下，甚至有的隻有100kHz左右，這樣就難以滿足負載變條件下動态響應的要求，是以高要求場合應用要考慮采用高開關頻率的産品。近幾年也有工作頻率為1MHz或者3MHz的産品，應對産品日益提升的要求。

另外一方面當dc-dc電源晶片開關頻率接近信号工作頻率時容易引起差拍振蕩，選用時也要考慮到這一點。

5．故障保護功能

有關統計資料表明，dcdc電源晶片在預期有效時間内失效的主要原因是外部故障條件下損壞。而正常使用失效的機率是很低的。是以延長壽命、提高系統可靠性的重要一環是選擇保護功能完善的産品，即在電源外部電路出現故障時子產品電源能夠自動進入保護狀态而不至于永久失效，外部故障消失後應能自動恢複正常。電源設計的保護功能應至少包括輸入過壓、欠壓、軟啟動保護；輸出過壓、過流、短路保護，大功率産品還應有過溫保護等。

6．功耗和效率

根據公式 ，其中Pin、Pout、P耗分别為子產品電源輸入、輸出功率和自身功率損耗。由此可以看出，輸出功率一定條件下，子產品損耗P耗越小，則效率越高，溫升就低，壽命更長。除了滿載正常損耗外，還有兩個損耗值得注意：空載損耗和短路損耗（輸出短路時子產品電源損耗），因為這兩個損耗越小，表明子產品效率越高，特别是短路未能及時采取措施的情況下，可能持續較長時間，短路損耗越小則是以失效的機率也大大減小。當然損耗越小也更符合節能的要求。

• 設計考量

在設計電源子產品的時候，第一時間要把該電源IC的datasheet資料下載下傳好，檢視裡面的說明；

說明部分都會對外圍器件參數的選擇給出詳細的講解和計算的公式，有些廠商還會給出參考BOM；每做一款新的DCDC晶片，都要對所有參數的計算過程進行詳細的了解，以及實際的計算；

原理部分這樣做就好了；

PCB部分的要點在于以下幾個方面：

1、一般DCDC電源布局先找到主電流流向，先布置主電流一般為“一”或者“L”型

2、電感靠近輸出（SW）位置，外置肖特基二極管放置在（SW）附近

3、回報采樣點（電壓取樣點）應該在濾波電容之後，這樣紋波會盡量減小 ，回報路徑盡量短；

4、濾波電容位置應根據電流的流向布置

LAYOUT方面一般要考慮好3個回路。

下圖兩個回路是電流回路，PCB上要将他們的面積做到最小，否則電源品質，以及幹擾會比較大；

另外一個是高頻回路，高頻回路不好的話會産生很強的EMC幹擾 ；     

以SEPIC電路為例

在開關管Q1導通和斷開的兩個狀态中，L1和L2上的電流都是一個漸變的過程，是以L1和L2不是電路中的高頻部分。

Q1自己通過的電流變化是一個高頻變化的量。

二極管D1是一個高頻變化的量，當Q1導通時，D1上的電流瞬間變為0。

是以電路中的高頻部分就是Q1和D1，但是這還不完整，我們得看看高頻部分的完整回路。

上圖畫出了BUCK、BOOST、SEPIC的高頻回路。

其中SEPIC電路中高頻回路是由Q1、Cs、D1、Cout組成，是以在布局的時候把這四個元器件盡量擺放的近一點，讓它們首尾相連，使得整個電流回路面積盡量小，這樣對外産生的幹擾就會小。

BUCK、BOOST電路也是一樣的，使高頻回路的面積盡量小即可減少幹擾。

另外，在設計Layout時盡量單面布局，讓DC-DC的背面有一個完整的地平面。