电感储能DC-DC原理和设计

1.DC-DC简介

DC-DC是英语直流变直流的缩写。所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支。这里说的DC-DC是指开关电源芯片。

开关电源，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。

开关电源可以用于升压和降压。我们常用的DC-DC产品有两种。一种为电容储能DC-DC，一种为电感储能DC-DC。主要讲电感储能DC-DC。

2.DC-DC的原理

1、降压DC-DC：BUCK

BUCK型DC-DC主要用于降压，其原理如图1，开关管Q1打开时，Vin通过L1给负载供电，L1中储藏电能，当Q1闭合时，当在L1内上会感应出反向的电动势，极性是左负右正，此时电感通过二极管D1给负载供电。输出的电压跟占空比D有关：Vout=Vin*D

图1

该电路中由于频繁开关作用，所以要求二极管D1具有极高的回复速度，考虑到效率，该二极管还要具有低的正向导通电压，一般选用肖特基二极管。

同步整流技术

同步整流是采用动态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC／DC变换器的效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系，其导通电阻极小。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

同步整流示意图

2、升压DC-DC:BOOST

BOOST型DC-DC主要用于升压电路，其原理如图2，当开关管Q1闭合时，二极管D1截止，电流流经电感L1和开关管Q1，此时电容Cout给负载供电，当开关管Q1断开时，L1上产生反向的电动势，极性是左负右正，此时Vin和L1上的电动势叠加通过二极管给负载供电，同时给Cout充电。输出的电压同样跟占空比D有关：Vout=Vin/(1-D)

图2

3、BUCK/BOOST

BUCK/BOOST型DC-DC既可用于降压，也可用于升压，其原理如图3所示，该类型电压输出：Vout=Vin*D/(1-D)

图3

3.DC-DC与LDO的区别

1、两者的效率不同,DC-DC的效率一般要高于 LDO,这是其工作原理决定的；

2、DC-DC有Boost、Buck、Boost/Buck，而LDO只有降压型；

3 、DC-DC存在开关噪声和EMI问题，而LDO一般不会存在该问题；

4、LDO设计简单，只需一个输入和一个输出电容，外围元器件少，所占PCB的面积较小，而DC-DC一般需要电感、二极管等，设计较复杂，所占PCB的面积较大；

5、DC-DC可以输出较大的电流，而LDO输出电流较小；

6、DC-DC比LDO要贵

4.DC-DC设计指导

*在设计电源模块的时候，时间要把该电源IC的datasheet资料好，查看里面的说明；

注意其中关于输出电流值的说明，这里输出电流为1A，设计的时候过孔的数目是根据电流大小来决定的。

*然后看下datasheet中关于管脚的说明和注意要点，如图6：

图6

>1pin为使能脚；

>2pin为地脚；

>3pin为电源输出脚；

>4pin为电源输入脚；

>5pin为反馈脚，提供反馈电压；

*重要的一步，要仔细查看datasheet中是否提供了布局指导。Layout Guide为设计者提供一个参考布局，是经过验证过的。

*实际上，通过一些layout guide能总结出一些电源设计中需要注意的要点

*图9中设计包含以下问题需要改善：

图9

1. 输入处电流过孔数目不够，且打在电容右侧；

2. 反馈线太细，建议走15mil粗线，连到输出端一个电容，不要直接连在电感；

3. 1脚为使能脚，不需要铺铜；

4. 0402小电容建议十字花连接；

5. 输入输出回路太大，可以改变布局让其共地，缩小环路面积；

5.参数的选择

1、电感器的选择

随着开关的打开和闭合，升压电感器会经历电流纹波。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的 20％。电感过大将要求使用大得多的电感器，而电感太小将引起更大的开关电流，特别在输出电容器中，而这又要求更大的电容器。

电感值的选择取决于期望的纹波电流。如等式 1 所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。

等式 1

由公式可以得出：

（1） 开关频率越高，所需的电感值就可以减小；

（2） 电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增大，电感尺寸也相应的增大，电流变化速度也减慢。

为了避免电感饱和，电感的额定电流值应该是转换器输出电流值与电感纹波电流之和。如图11

图11

2、输入电容的选择

因为 buck 有跳跃的输入电流，需要低 ESR 的输入电容，实现的输入电压滤波。输入电容值必须足够大，来稳定重负载时的输入电压。如果用陶瓷输出电容，电容 RMS 纹波电容范围应该满足应用需求。

陶瓷电容具有低 ESR 值，表现出良好的特性。并且与钽电容相比，陶瓷电容对瞬时电压不敏感。

3、输出电容的选择

输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。

输出电压纹波是由输出电容的 ESR 引起的电压值，和由输出电容冲放电引起的电压纹波之和