【速成宝典】如何快速完成DCDC电源设计

DCDC电源是集成电路的重要组成部分,但是大多设计者对电源不够熟悉,或多或少都在电源设计上踩过坑。本文将列举常见的DCDC电源设计注意事项,旨在帮助工程师们、尤其是初学者少走弯路,快速掌握电源设计技巧。

1. 确定电源规格及选型
在电源设计之前,首先需要确定需要的电源规格,输入电压范围是多少?输出电压、电流是多少?以此来确定是需要升压、降压还是升降压拓扑,还有是否需要隔离等需求,也需要提前确定好。另外还有一些特殊要求,例如需求轻载高效、需要电源良好指示管脚等功能,根据自己的需求来确定。
确定好规格之后再做对应的选型,例如输入电压范围21V-27V,输出电压12V,输出电流6A,无其他需求,可选型MP2491C

2. 原理图设计
选型完成之后,就可以进行原理图设计了。选定一颗芯片之后,最好是能通读规格书,明白芯片的各种功能,但是往往工程师们都没有时间去通读规格书,那么我们可以按照下面的步骤快速完成原理图设计。

1).首先找到规格书中的典型参考电路,如果参考电路里刚好有你需要的规格,那么可以参照该电路来设计
参考典型电路进行原理图设计,也不要忘记查看规格书中的管脚功能描述,有时候某一部分功能设置可能不是你需要的,因此要做对应的调整。了解每一个管脚的功能作用,有利于准确无误地完成原理图设计。例如MP2491C的MODE是用来设置PFM或者CCM的,可能典型电路就和你需要的不一致。

2).如果典型电路里没有你需要的规格,大部分情况是没有需要的输出电压。那么可以选择一个输出电压与你需要的电压最接近的典型电路,在这个电路上进行修改。
a.如果典型电路的输出电压与你所需的电压相差不大,那么一般来说只需要更改FB分压电阻即可,部分芯片会在规格书中推荐不同输出电压下某些参数的取值。如下图为MPM3695-25的不同输出电压推荐的参数值。


b. 如果典型电路的输出电压与你所需的电压相差较大,例如典型电路只给了5V输出的参考电路而你需要12V输出,且芯片也可以支持12V输出。这时只改FB分压电阻一般是不够的,一般还需要修改电感感值、输入电容容值、输出电容容值。这些参数的修改会在下文中进行讲解。一般来说输出电压越高、就需要更大感值的电感和更大容值的输入输出电容。
按上面a/b两条进行修改之后,基本上可以完成对典型电路输出电压的修改。但是也不要忘记查看规格书中的管脚功能描述,避免某些管脚的功能用错。

3.PCB 布局(layout )设计
PCB布局是工程师们最容易忽视的地方,往往就是PCB布局不注意导致出现问题,毕竟原理图好借鉴,PCB布局却不好借鉴。很多工程师不知道PCB布局时的注意事项,哪些需要重点注意,有些经验丰富的工程师都会犯这个错误。要记住,PCB布局也是电源设计中非常关键的环节,PCB布局的好坏会对电源的性能及正常工作产生很大影响。
芯片的规格书中一般都会有布局的注意事项。详细的PCB布局注意事项可以看下面这篇帖子,这里总结一个简易版,对简易版中的某些概念不理解的,也可以看下面这篇帖子
DCDC基础:PCB布局及注意事项

  • 输入功率环路需要尽可能小,走线短而粗。简单来说就是输入电容需要靠近芯片放置,包括输入电容的GND也需要就近连接到芯片的GND管脚。
  • 输出功率环路需要尽可能小,走线短而粗。简单来说就是输出电容、功率电感需要靠近芯片放置,包括输出电容的GND也需要就近连接到芯片的GND管脚。如果器件在不同层,确保过孔足够。
  • VCC电容需要靠近芯片放置,VCC电容的GND也要尽快连接到芯片的GND,最好是AGND
  • FB分压电阻需要靠近芯片放置,最好放在同一层且FB走线不要打过孔。上分压电阻连接到输出的走线可以打过孔,且一般连接到输出电容附近进行输出采样。

以上几点是电源pcb布局中最重要的几点,对于电源芯片几乎都要遵循这几点规范。在设计一款电源时一定要注意查看规格书中的layout指导

输入输出电容容值选择:电源对于输入输出电容的容值都有要求,一般来说参照典型电路的容值进行设计不会有太大问题。如果所需输出电压比典型电路高不少,则可以适当增加输入输出电容的容值,增加的比例一般不需要超过输出电压提高的比例。当然更大的输出电容可以使得电源的输出纹波更低。如果要详细计算,规格书中一般都会有输入输出电容容值的计算方式,可按照规格书中的公式进行计算。 也可参照下面的帖子进行详细计算:
DCDC基础:输入输出电容的选择及计算

电感感值选择:一般来说,如果输出电压与所需电压相差不是特别大,电感感值可以不做变动。如果输出电压差异较大,可按下式重新计算。计算时也可在典型电路的基础上二次计算,也就是和典型电路选取同样的∆IL和f。∆IL为电感电流的纹波值,一般取芯片最大输出电流的20%~40%。f为开关频率。
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