常用电源类型及其原理浅析

1.DCDC电源
- 1.1DCDC电源简介
- 1.2DCDC电源原理
- 1.3DCDC的工作模式
- - 1.3.1DCDC的工作模式与电感的关系
  - 1.3.2CCM模式（电感电流连续模式）
  - 1.3.3DCM模式（电感电流断续模式）
  - 1.3.3BCM模式
- 1.4DCDC电源选型
- 1.4PCB板中集成封装的DCDC常用引脚以及解释
- - 1.4.1DCDC电源芯片中的自举电容
  - 1.4.2DCDC电源芯片中的PG
  - 1.4.2DCDC电源芯片中的补偿网络
  - 1.4.2DCDC电源芯片中的FB
  - 1.4.3DCDC电源芯片的时钟输入引脚
- 1.4电源芯片外部电感的选择
- 1.5电源芯片外围滤波电容的选择
- 1.5关于电源芯片在做PCB时应该特别注意的点
- - 1.5.1大功率环路的布线铺铜原则
  - 1.5.2DCDC电源芯片FB引脚走线要求
  - 1.5.3芯片散热以及GND的处理
  - 1.5.4电源芯片输入输出端的滤波电容摆放
2.LDO
- 2.1LDO简介
- 2.1LDO内部原理
- 2.1LDO选型
- 2.1LDO原理图和PCB需要注意的点

1.DCDC电源

1.1DCDC电源简介

1.DCDC电源可以分为三大类，升压类型电源（BUCK）；降压类型电源（BOOST）；升降压型电源（BUCK/BOOST）最后一种指的就是同一个模块中能够同时完成升压与降压功能。此文章介绍的是在弱电场景中使用的DCDC电源模块。由于PCB板子上使用的芯片高低电平电压阈值在不断的进行降低，BUCK型DCDC电源也成为了我们最经常使用的电源模块。

1.2DCDC电源原理

DCDC电源三种类型，每一种都有其原理的拓扑图，由于升压与升降压类型的DCDC相比于降压型DCDC用的频率少，因此着重去说降压型DCDC。
BUCK型DCDC的拓扑原理如下图所示：

先简单的说一下上图中电压是如何从输入端传到输出端的，以及是借助一种什么神秘的玩意来完成降压转换的（看到最后你就会发现，介不就是电感借助开关来实现充电与放电嘛）
1.首先观望上图，当横着的单刀单掷开关闭合，竖着的单刀单掷开关打开的时候，输入端的电压就一定会冲到电感上，这个时候电感就发挥了自己的作用（就是利用电压两端电流不能突变的这一个特性，这也可以等效理解成电感的充电）当横着的单刀单掷开关打开，竖着的单刀单掷开关闭合，这个时候由电感负载以及竖着的开关形成了一个闭合回路，通过电感的放电来继续进行工作。这里有必要提一下，在当前我们所使用的DCDCBUCK电源模块，横着的单刀单掷开关用晶体管来代替，竖着的单刀单掷开关用二极管或者晶体管来代替（用晶体管代替的我们称为同步BUCK，用二极管代替的我们称为非同步BUCK）当下我们所使用的电源模块绝大部分都是同步的，原因也很简单，晶体管的源级和栅极之间导通的压差很小，而二极管的导通压降比较大。为了提高DCDC电源的效率就替换成了晶体管。但是将竖着的单刀单掷开关替换成晶体管存在一定的风险，这个风险在于如果控制不好横着的晶体管与竖着的晶体管导通与关断的时间，那么就会造成两个晶体管同时处于导通的状态，这样电源的输入端就直接与地短路了。
2.High-Speed ON/OFF是做什么的？
High-Speed ON/OFF就是用来控制两个晶体管导通与关断的，现在都是用PWM波形来进行控制，因为理想的PWM波形是一个具有一定占空比的方波。高电平的时候其中一个晶体管导通，低电平的时候另外一个晶体管导通，循环往复。

1.3DCDC的工作模式

1.3.1DCDC的工作模式与电感的关系

由上边的内容可知，随着晶体管的导通与关断，电源芯片的电感总是在充电与放电之间不断的进行切换着。往深处一想电感是不是就会出现这三个状态，第一个状态就是在一个开关周期内（PWM波形一个高电平与一个低电平的时间之和)电感冲的电大于电感放的电，因此一个开关周期过后电感里边还存有残余的能量；第二个状态就是在一个开关周期内电感充电的能量正好等于电感放电的能量，正好消耗完；第三个状态就是在一个开关周期内电感充电的能量小于电感放电的能量，一个周期下来电感里边已经什么能量都没有了。电感的这三个状态正好对应了DCDC电源工作的三种模式，下图电感中电流的状态就对应的电源工作的三种模式：

1.3.2CCM模式（电感电流连续模式）

在CCM模式下，重点就在于这种模式下它有什么特点，在哪种负载的情况下我们钟情于使用CCM模式？想要电源工作在CCM模式下我们应该怎么办？或者说改变电源模块的那些参数可以使得电源模块工作在CCM模式下？

1.在上图中我们可以观察到在CCM模式下，电源模块的组件上电压与电流的变化特点。在CCM模式工作的电源模块有其固定的传递函数，此传递函数得出的中心是围绕这电感的伏秒平衡得到的。讲白了就是在平衡点处，电感两端的平均电压为0.即上图中S1部分的阴影面积和S2部分的阴影面积之和为0。 S1部分的面积对应的物理意义就是开关导通的时候电压与时间的乘积，S2部分的面积对应的就是当开关关断的时候电压与时间的乘积，这样便能够求得整个CCM工作模式下输入电压与输出电压之间的关系了：
输出电压=输入电压*PWM波形的占空比
从上边的式子中可以看出，在CCM工作模式下，输出电压只取决于两个因素，一个是输入电压的大小，另外一个就是PWM波形的占空比，其与负载是什么情况并没有关系。
2.上述各个波形中在实测下存在问题的点：
通过上图可以看到SW电流波形存在一个特别大的尖峰，实际上在用万用表去测试TI公司生产的TPS系列芯片的时候也会发现同样的问题，原因就在于这是晶体管或者二极管的寄生电容以及寄生电感造成的，由于电容中的电流不能突变，因此在开关来回切换的瞬间，寄生电感就会对寄生电容进行充电。
3.CCM模式下电源模块工作的特点
通过改变PWM波形的占空比就可以控制输出电压
当DCDC模块处于CCM模式下，电感中的能量并没有完全消耗，不管是同步的DCDC还是非同步的DCDC这都是一种损耗，因此CCM模式下能量转换的并不完全。
4.可以通过什么样的方式使得电源模块工作在CCM模式下？
判断电源模块工作在CCM模式下唯一的判据就是电感中的电流在一个开关周期内依然留有能量。那么不妨设想一下，当电感的值比较大，电容在充电的过程中可以存储更多的能量，那么在放电的时候就不容易被放空，即选择比较大的电感值，在一个开关周期过后电感上还是比较容易留存能量的。因此在其余条件不变的情况下，较大的电感值可以使得DCDC电源模块更容易进入CCM模式。除了改变电感值之外，负载电流的变化也可以使得电源模块在CCM与DCM之间进行切换。负载所需要的电流越大，整个模块就越容易工作在CCM模式。

1.3.3DCM模式（电感电流断续模式）

电源模块工作在DCM模式各个部分的电压与电流是在一个开关周期内是如何变化的？

1.在上图中我们可以清楚的看到电源模块的工作状态一旦进入到DCM模式下，电感电容等器件上的电压和电流都是如何进行变化的，其中最重要的一点就是因为在一个开关周期内电感上的能量被消耗殆尽，并且出现了震荡。并且在电源模块进入到DCM模式下整个链路传递函数也会发生变化。在进入DCM模式之前，整个链路的传递函数就是：
输出电压=输入电压*PWM波形的占空比这个式子中电源输出电流与输出电压都与负载没有任何关系，在进入到DCM工作模式后，传递函数就会发生变化，CCM模式的传递函数将不会在适用，开关管的导通时间将会随着直流输出电流的减小而减小，下面给了一组DCM模式下传递函数，占空比与负载电流有关：

1.在DCM模式下工作的电源模块最重要的一点特性就是模块的占空比随着负载电流的变化而变化。
2.可以通过什么样的方式使得电源模块工作在DCM模式下？
DCM模式的本质在于电感中的电流在一个开关周期内电感中的能量会被消耗殆尽。因此我们可以通过减小电感的值使得整个模块更容易进入DCM模式，另外也可以通过减小负载电流的方式使得电源模块进入到DCM模式，此道理和上面所讲述的电源模块进入到CCM工作模式的道理是一样的。
3.DCM模式属于能量的完全转换，因此相比与CCM模式，DCM的效率是更高的。
DCM模式下电源模块输出端产生的纹波会比CCM模式下的大

1.3.3BCM模式

BCM工作模式是介于CCM与DCM模式之间一种最理想的状态，但是BCM这种工作模式是一种理想的，在实际工作中不可得到的模式，多说即无意。

1.4DCDC电源选型

在DCDC电源模块选型的时候至少要从以下几个方面进行考虑
1.额定功率
一般情况下我们使用的电源模块降额都在百分之五十左右，在这个功率范围内电源模块的各项性能指标表现的都非常稳定并且良好。但是在设计的时候所有的电源模块都具有一定的过载能力，但是不可以长时间工作在过载的条件下。
2.封装
DCDC电源模块的疯转和大小都会有很多的不同，在选择器件的时候，尽量选择标准的封装，并且一定功率下尽量做到体积小，减小PCB板的面积。
3.温度范围与降额使用
一个模块在选择的时候要考虑到其具体的使用环境，模块的温度范围有三个等级，即商业级、工业级、军品级、
4.工作频率
电源模块的工作频率就是两个晶体管的开关频率，一般情况下，随着电源模块的开关频率越来越高，输出纹波就越小，但是随着开关频率的增加，整个电源芯片对于磁性材料的要求也就越高，成本会有所增加，所以很多电源模块开关都会低于300KHz以下，因此在选择的时候应该注意这一点。
5.功耗和效率
根据效率的公式，其中Pin，Pout与P损耗分别为模块的输入功率、输出功率与自身损耗。因此在输出功率一定的条件下，模块的损耗越小，则效率就会越高。

1.4PCB板中集成封装的DCDC常用引脚以及解释

如下一些引脚信息的说明是通过TI公司的一款TPS54622为例，其余的电源芯片可能会不包含如下的引脚信息（会将一些外部器件封装进整个电源芯片内部）但是大多数DCDC BUCK芯片的引脚是及其类似的。

1.4.1DCDC电源芯片中的自举电容

BOOT：此引脚通常与PH/SW引脚之间连接容值为104的电容，所连接的电容也被称为自举电容，那么自举电容在这个电路中有什么样的用处呢？见下图：

如上图所示为TPS54622芯片内部的组成框图，图中标注红色方框的Hige side（称为高边开关）和Low side（低边开关）这两个晶体管就对应了上文中所提到的DCDC拓扑结构中的两个开关。这两个晶体管在PWM波形的作用下一关一开，从而能够实现电感的充电与放电。在绘制原理图的时候都会选择一个容值为104的电容放置在BOOT和PH这两个引脚之间，当高边的晶体管打开的时候，输入端会完成三个动作，分别是向电感充电、向Boot Charge充电、向自举电容充电。紧接着高边的晶体管会关断，低边的晶体管会打开，这个时候电感、负载和低边晶体管之间会形成一个新的回路从而让电感来进行放电，此时注意，低边晶体管的源极和栅极的电压与地的电位是相同的。之后下一个PWM周期来临，低边晶体管关闭，高边晶体管打开，在刚开始的时候，高边晶体管的源极电位与GND的电位相同，栅极和源极的电压能差够达到晶体管的打开电压，但是高边晶体管打开之后源极电压就会变到和漏极电压相同（如果不考虑晶体管的压降）这样造成的问题就是栅极和漏极的压差不足以打开高边晶体管，但是加了自举电容之后，利用了电容两端电压不能突变的原理，栅极的电压就会在原来电压的基础上在增加电容两端的电压，从而保证了高边晶体管的顺利打开。这就是自举电容的作用。

1.4.2DCDC电源芯片中的PG

PG：PG引脚全称为POWER GOOD，此引脚就是电源芯片内部的一个监控引脚，用来检测电源内部运行是否正常的。

1.4.2DCDC电源芯片中的补偿网络

DCDC芯片在能够快速追踪负载变化的闭环控制中可以分为三类。第一类是电压控制、第二类是电流控制、第三类是迟滞控制。其中电压控制与电流控制都需要增加补偿网络，电压控制的补偿网络最为复杂，是一个二阶的补偿，电流控制方式的补偿网络是一个一阶的补偿，迟滞控制不需要进行补偿。因此在TI公司生产的比较新的DCDC BUCK芯片一般都采用的是迟滞控制方式。但是像TPS54622这种电源芯片比较老了，依然采用了电压控制方式。因此电源芯片的引脚上会留有一个COMP引脚，此引脚的目的就是让设计者在电源芯片的外围上增加一个二阶补偿网络，从而增加动态响应时间，使得电源芯片的输出能更好的根据负载的变化而变化。

1.4.2DCDC电源芯片中的FB

DCDC电源芯片最常见的引脚就是FB引脚，此引脚的全称为Feed Back-电压反馈引脚。在TPS52622这款芯片中也此引脚也被称为VSENSE。从电源芯片外部来看，此引脚一般都会有固定的电平，通过调节此引脚上两个电阻的值来改变电源模块的输出电压。但是从电源芯片内部来看，此引脚的电压通常会和内部的一个基准电压进行比较，比较之后的结果会经过一个放大器然后在和稳定的三角波进行比较。通过这种方式来调节PWM的占空比，从而调节输出电压。注意在确定输出电压的时候，请务必选择精度为百分之一，而且是常用阻值的电阻。

1.4.3DCDC电源芯片的时钟输入引脚

大多数DCDC电源芯片的开关频率并不是特别高，因此为了兼容用户，会有一些芯片的外部引脚是连接时钟来用的，目的就是为了增加开关频率，从而减少电源输出纹波。此引脚一般名称都统一为RT/CLK。在极大多数情况下，电源芯片内部的开关频率就已经能够达到使用要求。

1.4电源芯片外部电感的选择

一般来说，多数电源芯片的储能电感都不是集成在芯片内部的。因此电感选型成了一个问题。如果电感值选择的太大，那么能量消耗就会变大，电源芯片的效率就会降低。并且电感值的大小和电感的大小是成正比的，PCB的布局空间也会变大；如果电感值选取的很小，那么电源模块就比较容易进入DCM模式（电感电流断续模式，在上文中有提及），这时候电源输出的纹波就会变大。一般情况下我们都想让电源芯片工作在CCM模式下，虽然能量会有一部分的浪费，但是毕竟输出纹波小，电源质量会好。
查阅过一些资料，关于DCDC电源电感的选型会有不同的公式以及计算方法，规格书中也会进行介绍。一般都是按照规格书中推荐的电感值来绘制原理图就可以（个人觉得，在使用过程中并没有出现过什么问题）如果需要追求完美，那么就可以按照此芯片的规格书进行计算一下。

1.5电源芯片外围滤波电容的选择

在选取输入端电容的时候，电容的耐压值需要注意，通常情况下选择应用电压的1.7到2倍就可以，输出端的滤波电容耐压值要求也相同。

1.5关于电源芯片在做PCB时应该特别注意的点

1.观察上方DCDC电源芯片的框图以及拓扑结构可知，整个电源在工作过程中存在两个回路，第一个回路是电感充电的回路，第二个回路是电感放电时候组成的回路，如下图所示：

1.5.1大功率环路的布线铺铜原则

整个DCDC芯片的所有信号可以分为两个部分，第一部分就是小信号的控制电路，第二个部分就是大电流的功率环路。上图中两个环路隶属于大功率控制环路，是整个电源芯片干扰最大，最恶心的部分。为了避免控制信号受到大功率环路的影响，尽量将二者分开进行布置。
从文章开始，DCDC电源工作时候电源芯片内部各个部分器件电压电流变化的情况可以看的非常清楚，两个大功率晶体管中流过的电流基本上是方波，电感中的电流为三角波。根据傅里叶级数的分解，方波中含有大量的高频的成分，三角波中的高频成分虽然没有方波多，但是也不可忽略。对于这两个大功率环路可以做如下处理：
这两个环路上由于PWM的作用，电流变化的速率都是非常快的，PCB的走线上会存在寄生电感，根据公式Ldi/dt 可知，寄生电感的值越小，由于电流迅速变化所引起的电压尖峰就会越小，因此我们需要在功率环路上尽可能的减小环路的面积，从而抑制不必要的噪声。

1.5.2DCDC电源芯片FB引脚走线要求

FB引脚是电源芯片中应该做最多保护的引脚，因为它涉及到输出电压的控制，因此要在最大程度上不让其受到干扰。FB信号线可以做如下处理：
分压电阻尽可能的靠近电源芯片附近放置；FB走线尽可能的原理噪声源，比如电感，电源芯片的开关引脚；

1.5.3芯片散热以及GND的处理

DCDC电源芯片的输入地和输出地有调教做隔离就做，一般来说电源芯片中间都会有很大一块金属是GND，在画PCB的时候，为了散热考虑，尽量在低下增加散热过孔。

1.5.4电源芯片输入输出端的滤波电容摆放

电源芯片输入输出的滤波电容尽量要靠近芯片端来进行放置，一般来说滤波电容都不止一个，会有好几种容值组成，排列顺序是容值越小的滤波电容就越要靠近电源芯片摆放。

2.LDO

2.1LDO简介

LDO电源全名低压差线性稳压源，其实在本质上说LDO也应该属于DCDC的一种，因为这种电源内部最重要的部分也是依靠大功率晶体管来进行工作的。其最大的特点就是输出电压纹波小，质量高，外围电路非常简单；但是LDO的缺点也很明确，就是电源模块效率低，输入范围比较窄；

2.1LDO内部原理

上图非常清楚的表述了LDO电源内部的构成（图片是盗取的，如侵权，请联系删除）其内部的工作流程如下：输出电压通过取样电路进行取样，然后将结果输入到误差放大器中，误差放大器的另一端是固定的基准电压，二者进行比较之后在放大，此放大结果用来驱动LDO内部的调整电路，当输出端输出的电压偏高的时候，误差放大器输出的电压就会增加，从而栅极电压就会增加，Vsg电压减小，输出电压电流就会减小，就是一个典型的负反馈系统。

2.1LDO选型

1.LDO输出电流能力比较弱，因此要充分考虑所选择的芯片是否能带的动负载，保留百分之三十的裕量就可以；
2.LDO一般用在对电源质量要求比较高的场合，并且LDO的输入电压范围窄，选型时要考虑到这一点
3.LDO存在线性调整率这一性能指标，它值得是输入端电压的变化对于输出端电压的变化，线性调整率越低表明了输入端电压的变化对输出端的影响越小
4.另外一个比较重要的指标就是负载调整率，值得是负载变化的时候，输出电压的变化，当然希望负载调整率越小越好
当前我们所使用的LDO芯片除了带载能力以及输入电压范围之外其余的性能都差不太多。

2.1LDO原理图和PCB需要注意的点

个人觉得其实画LDO真没啥值得特别注意的点，因为这个东西内部构成特别简单并且也没啥特别大的干扰源！

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