1. DC/DC基础

作为一个不是以电源设计为方向的硬件工程师。我的目标是掌握LDO，BUCK，BOOST，BUCK-BOOST，FLYBACK这几种拓扑。其他的拓扑如正激，半桥，全桥，PFC等我就不做了解。建议大家先看基本元件里的所有内容。R C L D的参数并不是大家想的那么简单，用好BJT和MOSFET更是每一个EE的基本功。

1.1. 参考资料

1. 所有笔记的链接
2. ADI-电源大师课(关注ADI智库微信，有免费版本的)
3. DC/DC粗略介绍
4. DC/DC-电容电感的参数
5. Load transient calculation
6. DC/DC架构
7. 精通开关电源设计-中文版-第一版

• Common Mistakes in DC/DC Designs
• Fixed Frequency vs Constant On-Time Control of DC/DC Converters
• how to measure loop gain

1.2. 名词解释

1. DC/DC：直流到直流变换器
2. AC/DC：交流到直流变换器
3. SMPS：switching mode power supply
4. LDO：low dropout 低压差线性稳压电源
5. BUCK：降压变换器
6. BOOST：升压变换器
7. BUCK-BOOST：升降压开关电源
8. FLYBACK：就是反激式隔离电源
9. CCM：continuous conduct mode
10. DCM：discrete conduct mode
11. VMC：voltage mode control
12. CMC： current mode control
13. SRF：self-resonant frequency

1.3. 总结

了解一个电源，主要有以下几个方面：

1. 常用拓扑：
   • 工作原理，
   • 充电回路，放电回路。
   • 每个节点的电压电流波形
2. 评价指标：
   • 纹波电压：Vripp
   • 暂态响应：line regulation，load regulation
   • 环路稳定性：1/2/3类补偿
3. 关键器件选型：
   • L：类型，容量。Isat，Irms，DCR，寄生电容，谐振频率
   • C：类型，容量，耐压，Irms，ESR，ESL，谐振频率
   • D：类型，Vf，If，Trecover，耐压，漏电流
   • MOSFET：损耗和功耗分析，If，Vce，Rdson，Cgd：Mealy Effect

几个基本概念是贯穿整个分析过程的：

1. 设计的要求：输入电流和输出电流都是稳定的值。在line regulation和load regulation时候除外
2. 电容的电压不能突变。I=C*∂V/∂t电容上的电流表示了电容上电压的变化率
3. 电感的电流不能突变。V=L*∂I/∂t电感的电压表示了电感上电流的变化率。法拉第定律
4. 电流流入电容的时间积分，就是电容的电压抬升。如果想要稳态工作，电容上的电压不波动，一个周期内电容的电流的I_total_mean=0。Q=CV, Q=∫Idt。
5. 电感上的磁通，就是瞬时电流的值。如果想让电感进入稳态，那么ΔΦ=0，那么ΔI=0。所以一个周期内电感上：ΔI_on=ΔI_off。Φ=LI V=∂Φ/∂t

几个经验技巧：

1. ΔIripp一般是Io的0.3-0.5
   1. 考虑到电感的体积和纹波电压的tradeoff
2. 开关频率和电感值
   1. 一般我们不喜欢电感变大，因为容量变大到2倍，体积变为4倍。
   2. 增大f，可以用小的L
   3. f大了，EMC特性就差了。
3. 输出电容：
   1. 纹波电压决定了电容的值。
   2. ESR决定了纹波电压
4. 输入电容：
   1. 容值？
   2. 一般使用的电解电容，他有个参数是Irms，一定要考虑

2. 电源的功能和参数

1. 电源的基本功能： 3. 软启动 4. 过流检测 5. 欠压检测 6. 过压检测 4. 自举电路

• 

• 参数：

  

3. BUCK

• 最重要：

  

• 

3.1. LDO和BUCK的区别

• 

• 

3.2. 参数选择

• 效率的因素：

  • 

• 输出纹波电压&动态响应

  • 

• 选择f和L

  • 

• 选择MOS，功耗计算

  • 

• 选择电容

  • 

3.3. LTspice

电压：

 各点的电流波形：

3.4. BUCK的电容

3.4.1. 输入输出电容的电流RMS

• 输出电容的电流RMS：
  • 简单，计算三角波的RMS
• 输入电容的电流RMS：
  • 复杂，背公式吧
  • 也有简单的等效公式：

    

• 

3.4.2. 稳态的纹波

• 以上两者都会影响到电容的选择，主要是C和ESR上
• 用波形分析，哪种分量占主导：

  • 

• 经过复杂的公式推导后，我们可以得到一个近似的公式：ESR和C和输出纹波的关系
  • 近似公式，在中ESR区域有点不准。
  • 其实图中还根据ESR和C的关系，分为高中低ESR区域

  • 

  • 

  • 看似这个近似公式是吧ESR和C上的纹波均方相加了。

3.4.3. 高频纹波

之前计算的都是基于纹波电流产生的纹波电压。事实上还有第二种纹波，是因为电感的寄生电容，导致谐振，产生一个电流spike。这个时候，需要并联谐振电容来吸收尖峰。You will not know the capacitor values until after you test the running power supply for ringing noise。

• 为什么我们已经加的电容起不到作用：
  • 寄生参数

    

  • 电容的ESL：

    

  • 走线的ESL：

    

• 选择合适的高频电容：
  • 谐振频率和容值，封装，材质有关系
  • 谐振频率：

    

3.4.4. transient response的纹波

就是负载突然变大变小，导致的输出纹波产生的overshoot和undershoot。这个需要计算电容的C和ESR。一个笼统的公式I*t=C*dv，这里没有考虑ESR，同时t也是很难得到的。建议使用ADI的CAD工具去挑选合适的C，可以抑制住overshoot。loop gain的带宽越大，transient response的幅度越小

3.5. 电流的模式

电流模式：

1. CCM：电感的电流不会到0
2. DCM：电感的电流会到0，然后关断

3.6. 控制模式

控制模式：

1. VMC：电压模式控制

   1. 

2. CMC：电流模式控制

   1. 

   2. 

3.7. 补偿

• 二型

  • 

  • 

• 三型

  • 

  • 

3.8. 最小开通时间

有些BUCK IC有一个参数：最小开通时间 这个参数的作用： - IC可以控制MOS最小的开启时间 - 计算： - 输入16，输出1.8，那么D=0.8 - Ton=D*T=D/T>30ns - 如果算出来的Ton很小，那么MOS管会来不及关断

3.9. EMC考虑

环路中，di/dt,dv/dt变化大的节点，EMC的影响会很大。di/dt：会耦合到线路的寄生电感上dv/dt：会耦合到对地的寄生电容上

4. BOOST

4.1. 输入输出电容的电流RMS

• 

5. BUCK-BOOST

5.1. 输入输出电容的电流RMS

• 只看前面两个开关是buck。只看后面两个开关是boost

• 

6. FLYBACK

• 

• 

7. 环路控制模式

电压控制模式 很稳定，很好。需要三型补偿网络 但是如果有CCM VCM模式的时候，补偿网络效果不同，需要compromise

使用网分测试电源的环路增益 穿越频率越高，瞬态响应越好，但是越不稳定。 穿越频率越低，就是阻尼系数越大，瞬态响应越差，但是越稳定 使得穿越频率在开关频率的1/5，会有45°的相位裕度

current mode 会忽略刚开始的spike。所以也有了一个minimal on time

占空比大于50%需要斜率补偿

8. Layout 建议

8.1. 电感的漏磁

SRF分析 BUCK的纹波 流过电容的电流是三角波 电容的ESR：三角波 C：正弦波 ESL：方波 但是电感会有寄生电容，产生自谐振，导致了一个spike。 解决方式：寄生电容小的，谐振频率高的。 多个输出电容并联，可以减小ESR ESL 减少dv/dt，在开关节点，串联一个小电阻，会减慢沿，但是降低效率

电感漏磁怎么办：

1. 选个带屏蔽壳的电感
2. 漏的磁，最终会感应到电容的ESL上，但是V=ΔΦ/Δt？
3. 输出电容，远离电感

9. 电源防护

• 

10. 锂电池充电

• 

11. 其他总结的资料

这里的内容，已经包含了很多电源大师课的内容。如果还想细致地了解一下，请看我做的

• 笔记：电源大师课
• 开关电源参数设计

12. FAQ：

加强内容：MOS的损耗分析。电流控制电压控制。1，2，3型补偿？？这几点又忘了……

12.1. 为什么输出有一串的电容并联

1. 暂态响应对电容的容值有更强的要求，一般只能用电解电容满足容量要求。
   1. 同时为了控制电解电容的ESR，需要并联陶瓷电容。
2. 吸收spike。
   1. 因为电感有寄生电容，有个谐振频率会让电感电流有个spike。
   2. 这个spike会流过电容，产生高频的纹波spike。
   3. 这个时候需要输出电容吸收掉这个spike。
      1. 电容一直在考虑ESR，ESL。在高频下也有一个谐振频率。这个频率点的阻抗最低，能最好地吸收spike。
      2. 每个电容的谐振频率是不一样的，所以就要并联很多个电容，组成不同的谐振频率的吸收点。
3. 以上两个原因就是为什么输出会并联一堆的电容。简单的说就是要组成大容量，小ESR，多个谐振频率吸收峰。

12.2. 为什么有了BUCK等拓扑，还要用各种控制原理

常用的控制原理有：

1. 电压控制
   1. 把输出的电压，经过分压采样电阻之后，和误差放大器的Vref比较，最终控制D。
2. 电流控制
   1. 在电压控制的基础上
   2. 多了，电流采样的环节，采集了输入的电流。

这些控制原理实现了闭环控制。如果只有BUCK，那么就是开环控制，Vin变了，D也不变，输出就不稳定了。引入了闭环控制之后，就要分析环路的稳定性，分析补偿方式。因为电压控制和电流控制引入的传函不同，零极点个数也不同，所以补偿方式也不同，但是补偿都是基于误差放大器的反馈网络进行补偿的。

12.3. 为什么我们没有关注电源的稳定性

1. 首先理论分析复杂。
   1. 因为有控制器和PWM环节
2. 其次实验室是可以测量的，但是需要网分。
   1. 给反馈电阻上注入一个小信号，测量输出的信号，多次测量就可以得到闭环传输函数了
3. 因为IC内置了反馈补偿网络。
4. 就算外置了补偿网络。按照典型设计，选取一样的电容电感，就可以用它的补偿网络。

12.4. 怎么测试寄生参数

寄生参数测量