电源设计 - 开关稳压（非隔离型）

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功率相等原则

电感的伏秒平衡：处于稳定状态的电感，开关导通时间（电流上升段）的伏秒数，须与开关关断时间（电流下降段）的伏秒数在数值上相等。

• TTT：一个时间周期
• DDD：高电平占空比
• VIV_IVI​：输入电压
• VOV_OVO​：输出电压

设计需考虑因素#

开关电源的设计至少要考虑以下条件：

• 输入 / 输出电压：按照器件的推荐工作电压范围选用，考虑实际电压的波动范围，确保不超出器件规格。
• 输出电流：输出电流要保留一定的余量，还需要评估电路的瞬间峰值电流和发热的情况，并满足降额要求。
• 纹波：纹波是衡量电路的输出电压波动的重要参数，要关注轻载和重载纹波。通常选用示波器 20 M 带宽来测试。
• 效率：要同时关注轻载和重载两种情况。轻载会影响待机功率，重载影响温升。通常看 12 V 输入，5 V 输出下 10 mA 的效率，一般需要达到 80% 以上。
• 瞬态响应：瞬态响应特性反应负载剧烈变化时，系统是否能及时调整以保证输出电压的稳定。要求输出电压波动越小越好，一般按峰峰值 10 % 以下要求。
• 开关频率：通常在 500 kHz 以上，关系到电感电容的选用，其它如 EMC，轻载下噪音等问题也与之有关。
• 反馈参考电压及精度：反馈电压要与内部的参考电压相比较，配合外部的反馈分压电阻，输出不同电压。不同产品的参考电压会有不同，如 0.6-0.8 V，反馈电阻要选用 1% 精度。
• 线性稳定度和负载稳定度：线性稳定度反映输入电压变化输出电压稳定性；负载稳定度反映输出负载变化输出电压稳定性。一般要求 1%，最大不要超 3%。
• EN 电平：EN 高低电平要满足器件规格要求，有些 IC 不能超出特定电压范围。由于时序控制的需要，该引脚会增加电容，为了电平调节和关断放电，同时要有对地电阻。
• 保护性能：要有过流保护 OCP，过热保护 OTP 等，并且保护后条件消失能自恢复。
• 其它：项目要求有软启动；热阻和封装；使用温度范围要能覆盖高低温等。

选用原则：普遍性、高性价比、易采购、生命周期长、兼容和可替代、降额、易生产和归一化。

调制方式#

PFM（脉冲频率调制方式）#

开关脉冲宽度不变，通过改变脉冲输出频率，使输出电压达到稳定。适合长时间使用（尤其是小负载），具有耗电小的优点。

PWM（脉冲宽度调制方式）#

开关脉冲的频率不变，通过改变脉冲宽度，使输出电压达到稳定。效率高且具有较低的纹波和噪声。

拓扑结构#

Buck 降压型#

Buck 降压型也称 Step-down 电路，其典型电路拓扑结构如下：

Buck 电路的工作原理：

MOS 管导通：

当功率 MOS 管导通时（可以等效为开关闭合），电源通过电感给负载供电，并将电能储存在电感和输出电容中。因为电感电流不能突变，所以在开关闭合时，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源的电压值。

此时电感正向伏秒为：V1×Ton=(VI−VO)×TsV_1 \times T_{on}=(V_I-V_O)\times T_sV1​×Ton​=(VI​−VO​)×Ts​

MOS 管截止：

当功率 MOS 管截止时（相当于开关断开），因为电感的自感作用（可以形象理解为电感中的电流具有惯性作用），电路中的电流将保持不变（即从左到右继续流），电流走续流二极管提供的回路，为输出负载供电。

此时电感正向伏秒为：VO×Toff=VO×ToffV_O \times T_{off}=V_O \times T_offVO​×Toff​=VO​×To​ff

开关断开期间，电感储存能量，并在截止期间释放能量，所以称储能电感；二极管负责给电感提供电流通路，所以称续流二极管。

通过控制 PWM 的占空比就可以控制输出的电压。

Boost 升压型#

Boost 升压型也称 Step-up 电路，其典型电路拓扑结构如下：

Buck 电路的工作原理：

1. 当 PWM 信号提供高电平，使得 MOS 管导通时，电流走 MOS 回路，电感电流不能突变，呈线性上升
2. 当 PWM 信号提供低电平，使得 MOS 管截止时，电流走二极管回路

MOS 管导通：

当功率 MOS 管导通时（可以等效为开关闭合），输入电压流向电感，电感电流线性增加，电感储能增加，电源向电感转移电能。

MOS 管截止：

当功率 MOS 管截止时（相当于开关断开），电感电压等于输入电压减去输出电容的电压，电感电流减少、储能减少，电感储能向负载转移电能。

Buck-Boost 升降压型#

功率电感底部是否可以铺地铜#

从 EMI 的角度，建议铺铜；从电感感量的角度，对于屏蔽型电感，电感感量基本没有影响，因此也建议铺铜；对于工字型电感，铺铜对电感感量有少许影响，可以视情况而定。

实验判断电感是否饱和#

除此之外，也可从异常温升、啸叫等情况来判断。

外围器件选择的要求#

• 输入 / 输出电容：需要满足耐压（1.5-2 倍以上输入电压）和输入纹波的要求。
• BST 电容：自举启动电容，用于抬高电压开启芯片内上管。一半按照数据手册的推荐值（一般 0.1-1uF），耐压一般要高于输入电压。
• 电感：不同输出电压的要求感量不同；注意温升和饱和电流要满足余量要求，一般最大电流的 1.3 倍以上（或电感饱和电流必须大于最大输出电流＋0.5*电感纹波电流）。
• 反馈电容：按数据手册要求取值，不同厂家芯片取值不同，输出电压不同也会有不同的要求。
• 反馈电阻和 EN 分压电阻：要求按规格书取值，精度需选取 1%。

PCB 设计要求#

• 输入电容就近放在芯片的输入 Vin 和功率的 PGND，减少寄生电感的存在；电容地端增加过孔，减少阻抗。
• 功率回路尽可能的短粗，保持较小的环路面积，较少噪声辐射。电感靠近 SW 引脚，远离反馈线。输出电容靠近电感，地端增加地过孔。
• FB 电阻连接到 FB 管脚尽可能短，靠近 IC 放置，减少噪声的耦合；FB 下分压电阻通常接信号地 AGND；远离噪声源；FB 走线包地。
• BST 的电容走线尽量短，不要太细。
• 芯片散热要按设计要求，尽量在底下增加过孔散热。

参考与致谢#

文章作者：Power Lin
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