升壓變換\降壓變換\交直流轉(zhuǎn)換(AC/DC、DC/AC)\極性變換電路原理

DC-DC變換器(DC-DC converter)是指在直流電路中將一個電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€電壓值的電能的裝置。DC-DC是一種新研制的小型化電源開關(guān)模塊，它是采用微電子技術(shù)，把小型表面安裝集成電路與微型電子元器件組裝成一體而構(gòu)成。DC-DC電源模塊的使用有利于簡化電源電路設(shè)計縮短研制周期，實現(xiàn)最佳指標(biāo)等，可廣泛應(yīng)用于各類數(shù)字儀表和智能儀器中。DC-DC電源模塊廣泛用于電力電子、軍工、科研、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、儀器儀表、交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、路由器等通信領(lǐng)域和工業(yè)控制、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域。由于采用模塊組建電源系統(tǒng)具有設(shè)計周期短、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點，電源模塊的應(yīng)用越來越廣泛。尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣，電源模塊的增幅已經(jīng)超出了一次電源。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開關(guān)的大量使用，電源模塊功率密度越來越大，轉(zhuǎn)換效率越來越高，應(yīng)用也越來越簡單。

一、隔離

1、噪聲隔離：(模擬電路與數(shù)字電路隔離、強弱信號隔離)2、安全隔離：強電弱電隔離\IGBT隔離驅(qū)動\浪涌隔離保護\雷電隔離保護(如人體接觸的醫(yī)療電子設(shè)備的隔離保護)3、接地環(huán)路消除：遠(yuǎn)程信號傳輸\分布式電源供電系統(tǒng)

二、電壓變換

升壓變換\降壓變換\交直流轉(zhuǎn)換(AC/DC、DC/AC)\極性變換(正負(fù)極性轉(zhuǎn)換、單電源與正負(fù)電源轉(zhuǎn)換、單電源與多電源轉(zhuǎn)換)

三、保護

短路保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、其它保護

四、降噪

采用有源濾波

五、穩(wěn)壓

交流市電供電\遠(yuǎn)程直流供電\分布式電源供電系統(tǒng)\電池供電

一站式PCBA智造廠家今天為大家講講DCDC電源模塊的PCB設(shè)計要點有哪些?DC-DC電路PCB設(shè)計注意要點。DC-DC電路的PCB設(shè)計比LDO會復(fù)雜很多，噪聲也更大，布局和layout要求更高，layout的好壞直接影響DC-DC的性能，所以了解DC-DC的layout至關(guān)重要。

一、Bad layout

- EMI，DC-DC的SW管腳上面會有較高的dv/dt， 比較高的dv/dt會引起比較大的EMI干擾;

- 地線噪聲，地走線不好，會在地線上面會產(chǎn)生比較大的開關(guān)噪聲，而這些噪聲會影響到其它部分的電路;

- 布線上產(chǎn)生電壓降，走線太長，會使走線上產(chǎn)生壓降，而降低整個DC-DC的效率;

二、一般原則

- 開關(guān)大電流回路盡量短;

- 信號地和大電流地(功率地)單獨走線，并在芯片GND處單點連接;

1. 開關(guān)回路短

下圖中紅色LOOP1為DC-DC高邊管導(dǎo)通，低邊管關(guān)閉時的電流流向;綠色LOOP2的為高邊管關(guān)閉，低邊管開啟時的電流流向;

為使這兩個回路盡量小，引入更少的干擾，需要遵從如下幾點原則：

- 電感盡量靠近SW管腳;

- 輸入電容盡量靠近VIN管腳;

- 輸入輸出電容的地盡量靠近PGND腳;

- 使用鋪銅的方式走線;

為什么要這么做?

- 走線過細(xì)過長會增大阻抗，大電流在此大阻抗上會產(chǎn)生比較高的紋波電壓;

- 走線過細(xì)過長會增大寄生電感，此電感上耦合開關(guān)噪聲，影響DC-DC穩(wěn)定性，造成EMI問題;

- 寄生電容和阻抗會增大開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，影響DC-DC效率;

2. 單點接地

單點接地，指的是信號地和功率地進行單點接地，功率地上會有比較大的開關(guān)噪聲，所以需要盡量避免對敏感小信號造成干擾，如FB反饋管腳。

- 大電流地：L，Cin，Cout，Cboot連接到大電流地的網(wǎng)絡(luò);

- 小電流地：Css，Rfb1，Rfb2單獨連接到信號地的網(wǎng)絡(luò);

TI的一個開發(fā)板的layout，紅色為上管開時的電流路徑，藍(lán)色為下管開時的電流路徑;如下的layout有如下比較好的優(yōu)點：

- 輸入輸出電容的GND用銅皮進行連接，擺件時，兩者的地盡量放一起;

- DC-DC Ton和Toff時的電流路徑都很短;

- 右邊小信號是單點接地，距離比較遠(yuǎn)，免受左邊大電流開關(guān)噪聲的影響;

三、實例

如下給出一個典型DC-DC BUCK電路的layout，SPEC中給出如下幾點：

- 輸入電容，高邊MOS管，和續(xù)流二極管形成的開關(guān)回路盡可能小和短;

- 輸入電容盡可能靠近Vin Pin腳;

- 確保所有反饋連接短而直接，反饋電阻和補償元件盡可能靠近芯片;

- SW遠(yuǎn)離敏感信號，如FB;

- 將VIN、SW，特別是GND分別連接到一個大的銅區(qū)，以冷卻芯片，提高熱性能和長期可靠性;

DC-DC BUCK典型電路

DC-DC電路的layout至關(guān)重要，直接影響到DC-DC的工作穩(wěn)定性和性能，一般DC-DC芯片的SPEC都會給出layout指導(dǎo)，可參考進行設(shè)計。

在電子設(shè)備中，電源模塊是核心組件，將輸入直流電壓轉(zhuǎn)為設(shè)備所需的各種直流電壓。DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，特別是基于開關(guān)方式的轉(zhuǎn)換器，因其高效、小體積和輕重量等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但設(shè)計優(yōu)秀的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器并不容易。布局、電磁兼容性、電流和散熱管理等方面均需深思熟慮和精細(xì)調(diào)整。

為優(yōu)化供電性能，開關(guān)電源應(yīng)靠近芯片放置，避免輸出線過長導(dǎo)致壓降。為降低電磁干擾，避免在開關(guān)電源周圍布置敏感元器件。為增強穩(wěn)定性和可靠性，需考慮布線策略、地線加粗、散熱地設(shè)計等因素。

DC-DC應(yīng)用類型簡介

DC-DC電源是直流電壓轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，包括LDO等類型。其中，利用開關(guān)方式實現(xiàn)的器件常被稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。這類電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，并能抗干擾、寬范圍輸出，因此在電子領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

DC-DC電源工作原理

DC-DC電源的工作原理涉及到電壓的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。這個過程主要是通過開關(guān)電源的變換器來實現(xiàn)的。DC-DC變換器在開關(guān)電源中負(fù)責(zé)將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出直流電壓。一般情況下，這個變換器的工作原理可以分為三個主要步驟：

1) 濾波：當(dāng)市電經(jīng)過輸入開關(guān)接通后，首先經(jīng)過整流電路變成脈動直流電，再經(jīng)過濾波電路濾除紋波，變成平滑直流電，供給變換器進行變換。

2) 變換：DC-DC變換器將輸入電壓通過功率開關(guān)管和儲能電感產(chǎn)生一定的脈沖功率，然后利用脈沖變壓器、整流濾波電路，得到相應(yīng)的輸出電壓。電壓的轉(zhuǎn)換通過PWM(脈寬調(diào)制)或PFM(頻率調(diào)制)控制開關(guān)管的開關(guān)時序來實現(xiàn)。在開關(guān)電源中，開關(guān)管的開關(guān)速度非?？欤话阍趲资⒚氲臅r間內(nèi)完成開關(guān)動作，這個速度要比傳統(tǒng)線性電源的調(diào)整速度快很多。

3) 調(diào)節(jié)：輸出電壓的穩(wěn)定是通過反饋環(huán)路來實現(xiàn)的。當(dāng)輸出電壓升高時，通過取樣電阻取得的樣本信號就會升高，這個信號與基準(zhǔn)電壓比較后得出的誤差信號就會增大，然后通過PWM或PFM控制的方式減小開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而降低變換器輸出的平均功率，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。