DC-DC硬件电路的基础知识

一、DCDC简易电路原理

DCDC电路是直流转直流电路，将某直流电源转变为不同电压值的电路，分为升压电路和降压电路。

1.1电容、电感基础知识

1.1.1电容

电容两端电压不能突变。

通交流、阻直流；通高频、阻低频。

1.1.2电感

通过电感上的电流不能突变。

通直流，阻交流；通低频，阻高频。

1.2升压电路原理

1.2.1电感的作用

如上图，开关闭合，电感充电，电阻短路，当2.2us后电感上电流达到2.4A。

开关断开，电源流经电感（电源电压＋电感电压，达到升压，电感放电）为电阻供电，2.4A的电流流过电阻，电阻两端电压达到12v。

但是，若开关闭合，电阻又被短路，电阻两端电压随开关闭合与断开变化。

1.2.2二极管的作用

开关闭合，电源向电感充电，电容、电阻短路。

左图，开关断开，电源流经电感（电源电压＋电感电压，达到升压，电感放电）向电容充电，并为电阻供电。

右图，开关闭合，电源向电感充电，二极管隔离两边电路；电容（达到电源电压＋电感电压）向电阻放电。

现实，将开关换成MOS管，MOS管导通，电源给电感充电，电容给电阻放电；MOS管断开，电源电流流经电感向电容充电，给电阻供电。 

1.2.3注意点

升压到12v时，输出电流只有0.25A，不足以驱动电机。

所以需要并联许多节干电池，增加输入电流才行。既然有这么多干电池了，为什么不直接串联达到12v？还可以省略升压电路。

1.3降压电路原理

通过不停的开关达到降压的目的，实际中，开关换成MOS管 。

1.3.1调节占空比

1.3.2电路原理

（1）开关闭合

如左图，开关闭合，二极管截至，电源给电感、电容充电，给负载供电。

但是通过电感上的电流不能突变，电感上感应出反向电流，使得负载端的电压不足12v，使，如右图。

随时间增加，电感上电压减少，负载电压上升，若时间长，电感上电压将降为0v，负载上电压变为12v，因为电感上电流不变，则相当于一段导线。

所以要严格控制开关通断的时间。

（2）开关断开

如右图，开关断开，电感放电。随着电感上电压减小，负载两边的电压也减小，如右图。

可以达到如上图的效果。

（3）电容作用

储能、滤波

使负载两端电压更加的平滑。

1.3.3电路损耗

不足10%，电路效率90%。

二、基于MP１４７０芯片降压电路的初步了解

2.1阅读芯片数据手册

２.１.１基本信息（提炼最重要的信息）

２.１.２管脚信息

 

引脚号	名称	描述
1	VIN	电源电压。 MP1470 的工作电压为 4.7V 至 16V。 需要一个电容器来去耦合输入。 使用宽 PCB 线连接 VIN。
2	SW	开关量输出。 使用宽 PCB 线连接 SW。
3	GND	系统接地。 GND是调节输出电压的参考地。 在PCB布局期间需要格外小心，用铜线和通孔连接GND。
4	BST	引导结构。 在SW和BST之间连接一个1uF BST电容和一个电阻，以在高边开关驱动器两端形成个浮动 电源。
5	EN	使能。 驱动EN高以启用MP1470。 对于自动启动，请连接到带有100K欧的上拉电阻。
6	FB	反馈意见。 将 FB 连接从输出端到 GND 的外部电阻分压器的抽头，以设置输出电压。 当FB电压下降到600mV以下时，频率折返比较器降低振荡器频率，以防止在短路故障期间 电流限制失控

 

2.2原理图分析

２.2.1自举电容

（1）基本信息

连接在BST脚上的C1电容

作用：保证MOS管持续导通

取值：在DCDC降压电路中取值约为0.1~1uF，该芯片固定为1uF

（2）原理

输入电压：4.7~16v，最大不超过16v

最大输出电流：2A

开关频率：500KHz

同步、降压

封装：TSOT23-6

=55℃/w,在PCB上每上升1w，则温度·上升55℃。

应用信息：APPLICATION INFORMATION　在实际应用中的计算、选型

PCB　Layout　Guidelines

应用实例

封装参数图

Vin输入与SW输出之间存在一个MOS管

导通条件:

存在问题：没有自举电容时，MOS不能完全饱和导通。

例如，当阈值=4V时，g端电压要大于s端4V，MOS管才能导通。

开始上电，MOS管导通，d→s导通。

随着↑，↓。

当＜4V时（例如=8.001V），MOS管进入放大状态，相当于大电阻，有压降，功耗比较大。

稳定在8.001V，不可能达到12V。

解决办法：加上自举电容。

开始上电，MOS管导通，d→s导通。

同时自举电容充电到12V。

随着↑（如=5V），由于二极管存在，电容不能放电，电容两端电压被抬高至

12V+5V，同时=12V+5V=17V。

由于电容的存在，始终为12V，满足，MOS管始终处于饱和导通状态，可以

达到12V。

总结：利用二极管加电容将钳位在12V，MOS管始终导通。

２.2.2续流电感

（1）基本信息

连接在SW脚上的L1电容

作用：作为外围电路，实现降压

（2）原理

详情见1.3降压电路原理

2.2.3反馈网络

（1）基本信息

由连接在FB引脚上的R2,R3,R4组成

作用：设置输出电压

（2）原理

原理：R1，R2电阻对输出电压实现分压后，将R2两端电压值反馈给FB引脚，FB引脚得到电压值后与设定的电压值比较，可以通过调节芯片中MOS管开关频率（调节占空比）来调整输出电压。

R2取值：首先，选择 R2 的值。
R2 值应合理选择，因为 R2 值过小会导致相当大的静态电流损耗，但 R2 值过大又会使 FB 对噪声敏感。
建议 R2 在 5 – 100kΩ 之间。通常情况下，R2上电流在 5 – 30µA 之间可在系统稳定性和空载损耗之间取得良好平衡。

R1取值：可以根据下面的公式（手册提供）

手册还提供了这部分常见输出电压的推荐参数（）

2.2.4其他器件

C2，C3，C4，C5，C6：均滤波。

其中为Vin滤波的电容C3和C4，选择一大一小（相差100倍），小电容滤高频率，大电容滤低频率。

R1：分压，可调节EN阈值。

以上器件参数均可采纳手册建议。
 

三、陈氏总结——升降压电路

DCDC升压电路

DCDC降压电路

升降压电路均使用电容电感，但是位置不一样则功能不一样，总结如下。

 

	升压电路	降压电路
电感	在开关前，用于和电源串联升压	在开关后，和负载串联，用于分压降压
电容	有电感，电感上，我充电；没电感，我再上	滤波，使波形不要太尖锐

 

四、基于MP１４８４DN芯片的PCB设计要点

3.1准备工作

下载对应的DCDC芯片数据手册对以下内容进行预先解读

预先了解DCDC的功率及转换电压范围

对芯片的最大电流进行解读

对DCDC的管脚定义进行了解

是否为高发热量转换芯片

PCB layout guide

 

3.2原理图

分析原理图，做到“心中有环”，“环”指的是有大电流（主干道）流过的闭合回路，环面积越小越好，布局紧凑。

在原理图上的“环”是一个完整的电路的环，在PCB中的体现一方面是该回路，另一方面更多的是同标签的一片铜。

3.3PCB预布局

心中有环，环要最小。

输入、输出回路

同标签的铺铜
 

（1）按照原理图，先随便放置所有器件

（2）先摆放输入和输出主干道上的器件

原则：兼顾输入环（红色）和输出环（绿色）都要最小，各个管脚相互最近。例如C2 的正近IN，负靠近GND。

（3）反馈网络，使能网络，SS角，COMP角：靠近主芯片管脚。

（4）BS管脚:阻碍主干道，放在背面。

3.4PCB优化布局

（1）显示全部，打开飞线，考虑布线。

（2）在摆放器件时，器件布局尽量紧凑，使电源路径尽量短.

（3）布局时注意环路面积。

（4）器件归中对齐，调整间距。

（5）滤波器件需合理放置时，滤波电容在电源路径上保持先大后小原则。

（6）注意留出打孔和铺铜的空间，以满足电源模块输入/输出通道通流能力。

（7）对于输出多路的开关电源尽量使相邻电感之间垂直放置，大电感和大电容尽量布置在主器件面

3.5铺铜与打孔

（1）主干道铺铜；非主干道走线。

（2）打孔换层的位置须考虑滤波器件位置，输入应打孔在滤波器件之前输出在滤波器件之后，这样才是经过的滤波后的信号。

（3）在铺整块地的铜时的步骤：（铺地的铜和其他铜之间是没有连接的）

切割板外形

铺铜管理器中进行铺铜

选择铺铜的边界是板外形

选择铺铜的层为GND

下面选择第二个为去死皮

应用

（4）在输出处的打孔，覆盖上绿油，防止外界信号干扰；在主芯片处的打孔不用覆盖绿油，更加便于散热。