電感儲能DC-DC原理和設計

1.DC-DC簡介

DC-DC是英語直流變直流的縮寫。所以DC-DC電路是某直流電源轉變?yōu)椴煌妷褐档碾娐贰C-DC是開關電源技術的一個分支。這里說的DC-DC是指開關電源芯片。

開關電源，指利用電容、電感的儲能的特性，通過可控開關（MOSFET等）進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容（感）里，當開關斷開時，電能再釋放給負載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比（由開關導通時間與整個開關的周期的比值）有關。

開關電源可以用于升壓和降壓。我們常用的DC-DC產品有兩種。一種為電容儲能DC-DC，一種為電感儲能DC-DC。主要講電感儲能DC-DC。

2.DC-DC的原理

1、降壓DC-DC：BUCK

BUCK型DC-DC主要用于降壓，其原理如圖1，開關管Q1打開時，Vin通過L1給負載供電，L1中儲藏電能，當Q1閉合時，當在L1內上會感應出反向的電動勢，極性是左負右正，此時電感通過二極管D1給負載供電。輸出的電壓跟占空比D有關：Vout=Vin*D

圖1

該電路中由于頻繁開關作用，所以要求二極管D1具有極高的回復速度，考慮到效率，該二極管還要具有低的正向導通電壓，一般選用肖特基二極管。

同步整流技術

同步整流是采用動態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。它能大大提高DC／DC變換器的效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時的伏安特性呈線性關系，其導通電阻極小。用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流。

同步整流示意圖

2、升壓DC-DC:BOOST

BOOST型DC-DC主要用于升壓電路，其原理如圖2，當開關管Q1閉合時，二極管D1截止，電流流經電感L1和開關管Q1，此時電容Cout給負載供電，當開關管Q1斷開時，L1上產生反向的電動勢，極性是左負右正，此時Vin和L1上的電動勢疊加通過二極管給負載供電，同時給Cout充電。輸出的電壓同樣跟占空比D有關：Vout=Vin/(1-D)

圖2

3、BUCK/BOOST

BUCK/BOOST型DC-DC既可用于降壓，也可用于升壓，其原理如圖3所示，該類型電壓輸出：Vout=Vin*D/(1-D)

圖3

3.DC-DC與LDO的區(qū)別

1、兩者的效率不同,DC-DC的效率一般要高于 LDO,這是其工作原理決定的；

2、DC-DC有Boost、Buck、Boost/Buck，而LDO只有降壓型；

3 、DC-DC存在開關噪聲和EMI問題，而LDO一般不會存在該問題；

4、LDO設計簡單，只需一個輸入和一個輸出電容，外圍元器件少，所占PCB的面積較小，而DC-DC一般需要電感、二極管等，設計較復雜，所占PCB的面積較大；

5、DC-DC可以輸出較大的電流，而LDO輸出電流較小；

6、DC-DC比LDO要貴

4.DC-DC設計指導

*在設計電源模塊的時候，時間要把該電源IC的datasheet資料好，查看里面的說明；

注意其中關于輸出電流值的說明，這里輸出電流為1A，設計的時候過孔的數目是根據電流大小來決定的。

*然后看下datasheet中關于管腳的說明和注意要點，如圖6：

圖6

>1pin為使能腳；

>2pin為地腳；

>3pin為電源輸出腳；

>4pin為電源輸入腳；

>5pin為反饋腳，提供反饋電壓；

*重要的一步，要仔細查看datasheet中是否提供了布局指導。Layout Guide為設計者提供一個參考布局，是經過驗證過的。

*實際上，通過一些layout guide能總結出一些電源設計中需要注意的要點

*圖9中設計包含以下問題需要改善：

圖9

1. 輸入處電流過孔數目不夠，且打在電容右側；

2. 反饋線太細，建議走15mil粗線，連到輸出端一個電容，不要直接連在電感；

3. 1腳為使能腳，不需要鋪銅；

4. 0402小電容建議十字花連接；

5. 輸入輸出回路太大，可以改變布局讓其共地，縮小環(huán)路面積；

5.參數的選擇

1、電感器的選擇

隨著開關的打開和閉合，升壓電感器會經歷電流紋波。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的 20％。電感過大將要求使用大得多的電感器，而電感太小將引起更大的開關電流，特別在輸出電容器中，而這又要求更大的電容器。

電感值的選擇取決于期望的紋波電流。如等式 1 所示，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。

等式 1

由公式可以得出：

（1） 開關頻率越高，所需的電感值就可以減??；

（2） 電感值增大，可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。但電感值的增大，電感尺寸也相應的增大，電流變化速度也減慢。

為了避免電感飽和，電感的額定電流值應該是轉換器輸出電流值與電感紋波電流之和。如圖11

圖11

2、輸入電容的選擇

因為 buck 有跳躍的輸入電流，需要低 ESR 的輸入電容，實現(xiàn)的輸入電壓濾波。輸入電容值必須足夠大，來穩(wěn)定重負載時的輸入電壓。如果用陶瓷輸出電容，電容 RMS 紋波電容范圍應該滿足應用需求。

陶瓷電容具有低 ESR 值，表現(xiàn)出良好的特性。并且與鉭電容相比，陶瓷電容對瞬時電壓不敏感。

3、輸出電容的選擇

輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。

輸出電壓紋波是由輸出電容的 ESR 引起的電壓值，和由輸出電容沖放電引起的電壓紋波之和