【技术交流】关于DC/DC降压芯片应用和选型参考

在电子产品中，我们经常需要不同的直流电压来为电路提供工作，这时候我们便会见到LDO和DC/DC的身影，但是严格意义上LDO也是一种DC/DC，在电源芯片选型中，LDO和DC/DC则是两种完全不同的芯片，与线性稳压器LDO相比较，效率高是DC/DC的显著优势。通常效率在70%以上，效率高的可达到95%以上。DC/DC常见三种拓扑结构为Buck（降压型DC/DC转换器），Boost（升压型DC/DC转换器），Buck-Boost（升降压DC/DC转换器）。下面我们就来重点了解一下降压型DC/DC转换器的工作原理及选型的几个重要技术指标。

原理介绍

DC/DC指直流转直流电源（Direct Current），是一种在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。如通过一个转换器能将一个直流电压（12V）转换成其他的直流电压（3.3V），我们称这个转换器为降压型DC/DC转换器。

下图是Buck基础拓扑电路：

降压式（Buck）变换器是一种输出电压小于等于输入电压的非隔离直流变换器。Buck变换器的主电路由开关管Q，二极管D，输出滤波电感L和输出滤波电容C构成。

Buck电路特征：
 

• 输出电压≤输入电压

• 输入电流断续

• 输出电流连续

• 需要输出滤波电感L和输出滤波电容C

实际DC/DC芯片内部结构框图如下所示（SSP9451）：

DC/DC内部包括的模块一般有基准电压电路、自举电路、误差比较电路、电流检测电路、欠压保护电路、软启动电路、过温保护电路等。

DC/DC电路电压调节的基本思路：输出端通过分压电阻将输出电压采样到FB(VFB)端，也就是反馈端，与基准电压对比后通过运放输出一个电压，与三角波对比，产生PWM信号，驱动功率管，实现电压的闭环控制。补偿端接RC补偿电路，实现电路快速稳定响应。

在讨论DC/DC转换器的性能时，如果单针对控制芯片，是不能判断其优劣的。其外围电路的元器件特性、PCB板的布线方式等，能改变电源电路的性能，因此，应进行综合判断。

典型的应用电路如下图所示（SSP9451）：

 

选型参数

DC/DC选型时首先应考虑输入电压范围，输出负载，效率，成本，开关频率是否满足应用，特殊的应用还需要考虑静态功耗（如手持设备），待机功耗等等，另外DC/DC电路还分同步整流和异步整流两种工作方式。

• 输入电压范围  Input Voltage

考虑实际使用输入的波动范围，对照DC/DC器件手册推荐工作电压范围选用，确保不能超过器件规格。例如SSP9480宽范围输入电压4.5V至85V，可满足绝大多数降压型电源变换的应用场景。

• 输出电压 Vout

输出电压是DC/DC很重要的参数，也是电子设备设计者选型时首先应考虑的参数。DC/DC有固定输出电压和可调输出电压两种类型。

• 最大输出电流 Max Current

持续的输出电流能力是DC/DC器件一个重要的参数，选用时要参考此参数，并要保留一定的余量，DC/DC的输出电流参数的选取需评估后级电路的瞬间峰值电流和发热的情况，综合来确定，并满足降额要求。

• 纹波噪声 Ripple

DC/DC器件采用开关电源方式对电感电容充放电，会造成EMI（电磁辐射/干扰）和电源纹波较大问题。DC/DC器件开关动作也会引起的EMI（电磁辐射/干扰）或噪音问题。同时要求关注轻载和重载纹波，若DC/DC器件的纹波较大，会直接影响器件的转换效率，影响系统工作不稳定，发热量偏高，使整个系统的功耗偏大。

• 开关频率 Switching Frequency

开关频率决定了外部电感的选型，开关频率越大需要的电感值就相对小一些。外部电感越大，对纹波的抑制作用越好，缺点是不能快速的响应负载的变化。且一旦负载发生变化容易引起EMI问题，在选型时也需要注意。

• 效率 Efficiency

DC/DC器件具有较高的转换效率，一般能够达到90%以上，在大功率电源转化中不会造成过大热能损耗和散热问题。同时要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。

同步与异步
 

同步和异步的区别从外部来看是同步没有续流的二极管。BUCK的输出电流分成两个部分的，一个部分是来自电源，一个部分是来自异步电路中的这个二极管，同步电路把这个二极管用一个内置的MOSFET给替代了，但是这个MOSFET的开和关需要芯片内部额外的控制电路来保持和开关MOSFET的相位关系。

从性价比、可靠性和高电压输出场景表现，优先选择异步BUCK电路。从功耗、效率和非连续工作场景噪声表现，优先选择同步BUCK电路。

 

外围器件选择要求

• 设定输出电压

输出电压由接到FB端的输出电压的分压器的电压设定，反馈的分压比公式：

VFB=VOUT*R1/(R1+R2)

不同的DC/DC芯片，FB电压是不一样的，分压电阻最好选用高精度电阻。

• 电感

在输入开关电压时，电感用于为输出负载提供连续的电流，大的电感可得到较低的输出纹波。不过体积会较大、大的串联电阻和较低的饱和电流。

通常，电感的选择是电感中电流峰峰值为最大负载电流的30%。同时使峰值电流小于最大开关电流，在最大电感峰值下不会饱和。L1可按照以下公式推算:

电感量可以调整，电感较大，效率较高，但是响应会变慢，调整时还要注意稳定性。

• 输入电容

输入电容器(Cin)可以是电解、钽或陶瓷电容。同时需用一小的陶瓷电容器，例如0.1uF就近放置在芯片的输入管脚。当使用陶瓷电容,确保他们有足够的电容值防止输入过度的电压纹波。

流过DC/DC芯片内部的MOSFET的电流Isw是不连续，输入电容的作用是用来提供一个低阻抗的电流源来提供MOSFET电流，电容本身的ESL并不大，但是经常会有因为输入电容较远或者地线较远引入较大的ESL 在输入端引起较大的尖峰，导致芯片供电异常或者芯片MOSFET过压击穿。

输出电容
 

输出电容器(Cout)用来保持输出直流电压。推荐采用低ESR的电解电容器以保持低的输出电压纹波。输出电容器的特性会影响稳压系统的稳定性。

要保持较小的输出电压的过冲和下降，电容应该有较小的ESR和ESL，较大的瞬态负载变化时需要较大容量的电容作为储能电容，开关频率较高，或者负载变化不大的场合用瓷片电容即可，对于电解电容主要考虑ESR部分的纹波，对于陶瓷电容主要考虑电容纹波。

输出续流二极管
 

当上管开关关闭时，输出二极管为电感电流续流。为减少二极管正向导通电压和反向恢复带来的损耗，请使用肖特基二极管。流经二极管的平均电流可根据以下公式估算出：

选择二极管时，额定电压要大于最大输入电压，额定电流要大于二级管平均电流。

• BST电容

BST电容是自举电路的储能电容，用于上管的驱动。通常在10nf~1uf之间，常见100nf。BST电容失效，芯片会过热或者不能工作。

 

常用DC-DC推荐

型号	工作电压（V）	带载能力（A）	频率(Hz)	封装	效率(%)
H9008	2.5~6	1.5	1.5M	SOT23-5	95
H9118	3.3~18	2	800K	SOT23-6	93
SSP9810	4~30	1.2	1.4M	SOT23-6	95
SSP9451	4.2~40	0.6	1.8M	SOT23-6	90
SSP9452	4.2~40	1	1.8M	ESOP8	90‍
SSP9467	4.5~40	3	500K	ESOP8	92
SSP9459	4.5~60	0.5	480K	SOT23-6	90
SSP9461	4.5~60	1.2	480K	ESOP8	90
SSP9480	4.5~85	1.5	480K	ESOP8	92
注：1、浅色部分为同步，灰色部分为异步； 2、产品系列持续更新完善中，更多产品信息请和我们销售部门或者技术支持部门联系。

 

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