DCDC 基础
笔记 / 硬件基础
和 LDO 一样，DCDC 也是电子硬件系统中使用最多的电源芯片之一。DCDC 即直流-直流转换器（DC-to-DC Converter）的英文缩写。
💡 本文整理自微信公众号「软磨硬泡」三炮儿的《一文搞懂DCDC基础知识》，图片版权归原作者所有。
一、DCDC 基本原理
开关电源是一种高频电能转换装置，主要利用开关器件（MOSFET/晶体管），通过周期性控制开关器件的开关，实现对输入电压的脉冲调制，实现电压变换、自动稳压功能。
DCDC 转换器是输入、输出电压类型均为直流的一种开关电源；是一种在直流电路中将一个电压值的电能转换成另一个电压值的电能转换装置。
举个例子，DCDC 转换器可以将一个 5.0V 直流电压转换成 1.5V/12.0V 直流电压。
DCDC 转换器类型分为：Buck 降压型、Boost 升压型、Buck-Boost 降压升压型。
实际硬件开发中应用最多的是 Buck 降压型的 DCDC 电源方案，下面以 Buck 降压型为例介绍。
二、拓扑结构——以 Buck 为例
Buck 降压型 DCDC 的拓扑图如下，主要由开关管、电感、续流二极管、滤波电容等元器件构成：
通过控制开关管导通与关闭来实现电源的降压，为异步 Buck，如下图左侧拓扑；将二极管更换为开关管后，则是效率高发热量小的同步 Buck，如下图右侧拓扑。
开关管导通时（G1 打开），电流流动如下图：二极管 D1 截止（开关管 G2 未打开），输入电源 Vin 为负载 RL 提供电流，也为电感 L1 和电容 Cout 提供电流储存能量；电感会抵消一部分电源电压，负载 RL 两端的电压比电源电压低。
开关管关闭时（G1 未打开），电流流动如下图：二极管正向导通（开关管 G2 导通），输入电源 Vin 不能为负载 RL 供电，由电感 L1、电容 Cout 向负载 RL 提供电流，短时间内电感电压下降，负载 RL 两端的电压也下降。
开关周期性打开、闭合的过程中，负载 RL 两端的电压也呈周期性变化，有效值稳定在所需的降低后的电压，如下图所示：
电路中各器件的作用简单总结：
- 输入电容器 Cin：使输入电压平稳
- 输出电容器 Cout：使输出电压平稳
- 箝位二极管 D1 / MOS 管 G2：在开关开路时为电感提供一条电流通路
- 电感 L1：存储即将传送至负载的能量
从上面拓扑图可以看出，同步 Buck 与异步 Buck 的差异在于二极管和 MOSFET。同步 Buck 中用导通电阻极低的专用功率 MOSFET 替代了整流二极管以降低整流损耗，使 Buck 转换效率大幅提高，由肖特基势垒电压造成的死区电压也不再存在。
💡 为什么叫同步 Buck？ 功率 MOSFET 属于电压控制型器件，它导通时的伏安特性呈线性关系。使用功率 MOSFET 作整流器时，MOS 的栅极电压与被整流电压的相位必须保持同步才能实现整流功能，因此称为同步 Buck。
三、工作模式
根据 Buck 电路在一个开关周期内电感上的电流是否连续，工作模式大概可分为四种：连续导通模式（CCM）、边界导通模式（BCM）、非连续导通模式（DCM）、强制连续导通模式（FCCM）。
几种模式下电感的电流波形对比如下图所示：
CCM - 连续导通模式（Continuous Conduction Mode）：在一个开关周期内，电感电流不会达到 0A，一直流动，不中断。或者说电感从不”复位”，在开关周期内电感磁通不会到 0，功率管闭合时，线圈中还有电流流过。
BCM - 边界导通模式（Boundary Conduction Mode）：在一个开关周期结束时，电感电流恰好为 0。由控制器监控电感电流，一旦检测到电流等于 0，功率开关管立即闭合；控制器监测到电感电流”复位”时立即激活开关；若电感电流高，而截止斜坡比较平缓，就将开关周期延长。所以 BCM 是变频系统，也叫临界导通模式 CRM（Critical Conduction Mode）。
DCM - 非连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode）：开关周期还未结束时，电感电流就降为 0，电感被适当”复位”，即功率开关闭合时，电感电流为零。
FCCM - 强制连续导通模式（Force Continuous Conduction Mode）：在同步 Buck 中，用 MOSFET 替代了二极管，当下管 MOSFET 导通时，电流从负载瞬间移除，但此时的输出电容在反向放电，负电流由此产生；当输出电流减小时，变换器不会切换到 DCM 模式，而是转换到强制连续导通模式（FCCM）。而在非同步 Buck 拓扑中，下管普遍使用的二极管可防止电感电流在开关时刻反向。
四、控制模式
DCDC 的反馈（Feedback）控制方式有电压模式（Voltage Mode）、电流模式（Current Mode）、迟滞控制（Hysteretic Mode）、COT、Peak-Current 等。
电压模式：反馈环路只反馈输出电压，将误差放大器和基准电压做比较后所得的差距电压，再进一步与三角波做比较，决定 PWM 信号的脉冲宽度来控制输出电压。优点是纯电压的反馈环路控制简单、导通时间短、抗噪好；缺点是相位补偿电路复杂。
电流模式：对电压模式控制的改良，采用检测电感上电流的方式，取代电压模式控制使用的三角波；或者检测晶体管上电流取代电感电流、通过电流检测电阻进行检测。反馈环路分电压环路和电流环路两者，控制比较复杂，但相位补偿电路被大幅简化，反馈环路的稳定性高、负载瞬态响应比电压模式快速；缺点是容易发生次谐波振荡。
其余控制方式不再赘述。
五、主要参数
输入/输出电压（Input & Output Voltage）：DCDC 芯片推荐的工作电压范围，选型时不能超出范围，同时还要考虑实际使用时的电压波动情况；另外用作一级 Buck 的还应考虑浪涌等情况。
输出电流（Output Current）：DCDC 芯片的持续输出电流能力，选型时要根据实际需要选用，并考虑瞬间峰值电流以及发热情况，需要保留一些余量，满足降额。
纹波（Output Ripple）：表征输出电压波动的重要指标；轻载和重载下的纹波需要重点关注，一般轻载下纹波要大，要注意纹波是否超标，尤其是轻载情况。最好实际测量各负载情况下的纹波，一般选用示波器 20M 带宽、×1 档、地环就近接地测量。
效率（Efficiency）：需要关注轻载和重载两种场景下的效率，轻载影响待机功率，重载影响温升。
瞬态响应（Transient Response）：负载剧烈变化时系统稳定输出电压的能力，要求输出电压波动越小越好，一般要求在峰峰值 10% 以下。
开关频率（Switching Frequency）：一般在 500kHz 以上，1.2M 到 2M 高频的也有。开关频率高其开关损耗也会增加，对散热设计要求有所增加；电感、电容的选型也与开关频率有关。
反馈参考电压及精度（Feedback Voltage & Output Accuracy）：反馈电压 Vfb 要与内部的参考电压相比较，与外部反馈电阻配合，输出不同电压。不同 DCDC 芯片的 Vfb 可能有所不同，做物料切换时需要注意差异；Vfb 精度影响输出准确度，常见精度在 2% 以下。反馈电阻选用 1% 精度，根据厂家推荐，一般不要选得过大或过小，以免影响稳定性。
线性稳定度和负载稳定度（Line/Load Regulation）：线性稳定度反映的是输入电压变化时输出电压的稳定性；负载稳定度反映的是负载变化时输出电压的稳定性。一般要求 1%，最大不要超 3%。
EN 电平：EN 电平的大小要满足芯片规格书要求，且不能超出特定电压范围。采用电阻分压时要注意能及时关断，并且要把电压波动的影响考虑进来。对于需要时序控制的设计，该引脚可能还会增加电阻；为了电平调节、关断放电，还需增加对地电阻。
其他参数：软起动、OCP 过流保护、OTP 过热保护、热阻、封装等。
六、外围关键器件选型
以杰华特 JW5026 为例，其推荐应用电路如下：
输出电压：通过外部采样电阻结合器件的反馈参考电压 Vfb 确定，一般要求选用 1% 精度的外部电阻。有些工程师习惯将输出电压设置得稍高一点点，比如 3.3V 输出的设计增大到 3.35V，以保证负载端电压不低于 3.3V。
输入电容：需要满足耐压、输入纹波要求，一般耐压要求 1.5~2 倍以上输入电压。下图为 JW5026 规格书中给出的输入电容计算公式，可知输入电容的大小与负载电流、输入输出电压、输入电压变化量等参数有关。计算出容值后，一般综合考虑成本和性能选用 X5R 或 X7R 电容；当选用瓷片电容时需要考虑直流偏置电压对容值的衰减。
输出电容：对输出电压纹波有影响，对负载瞬变后的输出电压也有影响。下图为 JW5026 规格书中给出的输出电容计算公式，可知输出电容的大小与输入输出电压、开关频率、电感以及输出电容的 ESR 等参数有关。一般低 ESR 的电容可得到更小的输出纹波电压。
BST 电容：按照规格书推荐值，一般 0.1uF-1uF 低 ESR 的陶瓷电容，耐压一般要高于输入电压。
电感：不同输出电压的要求感量不同；注意温升和饱和电流要满足余量要求，一般最大电流的 1.3 倍以上；通常选择合适的电感值 L，使 ΔIL 占输出电流的 30%~50%。JW5026 规格书中给出的电感计算公式如下：
通常，电感值大时纹波电流小；电感值小时纹波电流大。纹波电流是决定磁芯损耗的要素；功率电感的损耗不仅与开关频率有关，还与纹波电流有关。
软启动：有些芯片有专门的软启动设置管脚，通过几个电源模块的 SS 电容的大小，可以设计出需要的上电时序。
此外，有些 DCDC 芯片还有软起动设置，对于异步 Buck 还需要选取续流二极管。在对 DCDC 外围关键器件选型时，还应关注其组成的环路稳定性——环路设计对 DCDC 的性能至关重要，需要关注其剪切频率、相位裕量、增益裕量等指标。
七、PCB Layout 设计
下图为 JW5026、ETA1477 规格书中的 PCB Layout：
- BST 电容走线尽量短粗
- 输入电容尽可能靠近芯片对应管脚放置，可铺铜减少寄生电感的影响；电容地端适当增加过孔，减少阻抗
- 电感靠近 SW 引脚，远离反馈线，电感相邻层下方不能走线；输出电容靠近电感放置可铺铜，地端增加地过孔
- 功率回路尽可能短，走线尽可能粗，减小环路面积；SW 是噪声源，保证电流的同时保持尽量小的面积，远离敏感的易受干扰的位置
- FB 电阻到 FB 管脚走线尽可能短，靠近芯片管脚放置，减少噪声的耦合；FB 下分压电阻通常接信号地 AGND；FB 远离噪声源（SW 点、电感、二极管——非同步 Buck）；FB 走线最好包地
- 芯片底部接地尽可能大、增加过孔散热
八、DCDC 特点——Buck
效率高、输入电压范围宽、大电流输出。
相比 LDO 稳压器，DCDC 的优点是输入电压范围宽、功耗低、效率高、支持降压、升压（Boost）、反相等变换，且支持大电流的输出，并能支持输入输出端的隔离；缺点也有，如纹波较大、开关噪声大、电路设计复杂、成本相对较高。