原创 DC-DC 电源电路设计考虑1

上周继续有工程师朋友投稿，这一位是魏华平，在深圳的一家汽车电子公司工作。我很高兴的看到，在我的怂恿下，他把他在设计开关电源的一些考虑整理出来。以下为Buck Boost设计的一些考虑，我略作整理和删减。注意，这是一篇定性的文章，主要是对电路设计中的参数进行考量，如果工程师需要做草案设计，我相信在Mathcad里面打个草稿，对各项参数进行计算，由于开关电源是具有一定的复杂性，真要做的话，原则上有几个过程：

1）草案设计，使用Matchad或者Excel将所有的参数进行罗列和计算，将所有的器件设计参数导入至输入级

2）仿真和最坏情况分析 用Mathcad可能太辛苦，推荐用Saber

3）实测常温下和各种输入状态下的情况

4）环境实验、EMC实验摸底

5）可靠性试验定性测试

你在前期付出越多测试，能够得到的经验也越多，欢迎各位工程师将自己的工作中的小结发给我，编辑之后我们可以得到更多的经验。以下是原文：

在电源设计中，首要的是确认电源的设计指标

1. 电源参数

   1. 输出电压调整

   2. 电源调整率

   3. 负载调整率

   4. 综合调整率

   5. 输出纹波及杂讯

   6. 输入功率及效率

   7. 动态负载或暂态负载

   8. 电源良好/失效时间

   9. 起动及保持时间

2. 保护功能

   1. 过电压保护

   2. 短路保护

   3. 电流保护

   4. 过功率保护

   5. 过热保护

器件选型
对于器件选型还需要可靠性知识和按照器件的降额标准，关键元器件IC 、L、C、D，R选择、评估与计算；
1）电源IC选型

最主要的三个参数是：输入电压、输出电压及最大输出电流。

• 据产品的工作电流来选择

• 较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流的70～90%。

• 例如：最大输出电流为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流700～900mA的场合，而工作于20～30mA时，其效率则较低。

• 如果产品有轻负载或重负载时=>最好选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC变换器

  • 轻负载时采用PFM方式耗电较小

  • 正常负载时为PWM方式，而且效率也高

其他考虑注意点

1. 电源IC的精度一般为±2%～±4%，精度高的可达±0.5%～±1%，要根据电路的要求选择合适的精度

2. 电源IC的负载调整率，特别是DDR3和ARM/DSP的Core电压，工作时瞬态负载电流变化较大

3. 选型时还应综合考虑电源IC的OCP，OVP、OTP及Standby电流等等，选用适合的封装尺寸（考虑安装和散热），以及合理价位等因素。

推荐：这里可以考虑使用一个选型表，将主要参数进行罗列，然后对比参数来选择合适的电源IC.

2）电感选型

这里需要考虑的参数主要有，电感量，DCR（频率高的还要考虑ACR），饱和电流Isat 有效电流Irms

1. 电感量L：

   1. 导致DC-DC效率降低

   2. 相应的电感成本也会增加

   3. L越大，储能能力越强，纹波越小，所需的滤波电容也就小。

   4. L越大，通常要求电感尺寸也会变大，DCR增加

2. 自谐频率f0：由于电感中存在寄生电容，使得电感存在一个自谐振频率。超过此f0是，电感表现为电容效应，低于此F0，电感才表现为电感效应（阻抗随频率增大而增加）

3. 内阻DCR：指电感的直流阻抗。该内阻造成I2R的能量损耗，一方面造成DC-DC降低效率，同时也是导致电感发热的主要原因

4. 饱和电流Isat：通常指电感量下降30%时对应的DC电流值

5. 有效电流Irms：通常指是电感表面温度上升到40度时的等效电流值

根据电感的精度，计算出有一定裕量的电感值例如：对于20%精度的电感，考虑到5%的设计裕量。则Dc-DC所需的电感为L=1.25*Lmin
确定我们所需的电感为比计算出的电感L稍大的标称电感
例如：有一手机使用Buck型DC-DC，其输入为电池Vinmax= =4.2V，开关频率Fsw=1.2MHZ输出电流Irate=500mA，输出电源Vout=1.2V，则其DC-DC所需的电感Lmin= [2*1.2*（1-1.2/4.2）]/(1.2*0.5)uH=2.85uH L=2.86uH*1.25=3.57uH. 距离3.57uH最近的一个标称电感为4.7uH，所以DC-DC外部电感选用4.7uH电感。
在给定的的标称电感下，考虑以下限制因素最终决定电感的选型。
1）电感自谐频率f0需10倍于开关频率Fsw以上
2）饱和电流Isat和有效电流Irms中较低的一个需是DC-DC额定电流输出Irate的1.3倍以上
3）DCR越低越好
4）叠层电感比绕线电感好（损耗小）
5）带屏蔽的电感比不带屏蔽的电感好。（改善EMI）另外，电感的成本和体积也是需要权衡的

3）电容选型：

设计考虑参数为：

1. 电容值

2. 容差

3. 耐压

4. ESR

5. 使用温度

6. 尺寸

7. 材质

8. 直流偏置效应

9. 漏电流

商务考虑因素

1. 价格

2. 供货

注意：

1. 开关电源输入输出禁止选用钽电容，因为存在大的di/dt

2. 建议选用较低ESR和频率特性好的陶瓷电容MLCC或者贴片铝电解

3.1）输入电容计算：
虽然不及CL 对输出稳定性的影响大，但CIN 也是电容值越大、ESR 越小则输出稳定性越好，纹波也越小。大到某种程度，降低输出纹波的效果会变小，从防止对输入侧的电磁干扰的意义上说，电容值应从CL 的一半左右。虽然是一般不常进行确认的数据，但对降低EMI 是很重要的数据。CIN 不会因ESR太小而输出振荡，所以尽量使用低ESR 电容。
3.2）输出电容计算：
Cin=I load(Max)*D*(1-D)/Fs*(Delta_Vin-Iload(Max))*ESR.CIN
CL 越大则纹波越小，但过分大的话，电容器的形状也大，成本提高。CL 由所需的纹波大小而定。大致以10mV～40mV 的纹波大小为目标，升压时从表8 的电容值开始，降压时从表9 的电容值开始。但是不支持低ESR 电容器的DC/DC 有异常振荡的危险，以连续模式使用时要想采用低ESR 电容器的话，应预先检查负载瞬态响应，确认输出电压能否及时稳定(振荡大致在2 次以内即收敛)。

4）二极管选型（非同步DCDC）

IF正向电流要大，VF正向压降要小，反向回复时间快； 首选肖特基二极管，额定电流必须大于电路峰值电流选取。
SBD有关绝对最大额定值，根据与FET同样的理由，应选择相对于使用条件的1.5 倍～2 倍左右的产品。
SBD 的损失为正向热损失VF×IF 和反向漏电流IR 引起的热损失的合计值。

因此，选择VF、IR 都小的产品比较理想。但是，VF与IR 成反比关系，一般要视负载电流而选用。

VF 在重负载时大，考虑到IR与负载无关为一定的值，所以轻负载时选择IR 小的产品对提高效率的效果较好，重负载时选择VF小的产品效果较好。