2021年01月19日 | 关于DC-DC转换器的选型及设计详细指南

DC/DC转换器的规格说明

板载DC-DC转换器的规格是重要且详细的过程。选型正确后，它会产生符合所有应用的经济高效的解决方案。错误选择转换器会导致成本过高，或者不适合该应用。本常见问题解答将介绍板载DC/DC转换器的主要规格，以及包括热管理和电磁兼容性考虑因素。

这款效率为96％的40A负载点（PoL）非隔离式板装DC/DC转换器尺寸为33mm x 13.5mm x 10.2mm。（图片：TDK）

效率通常是DC/DC转换器最重要的规格，它对系统设计的许多方面都具有重大影响。即使在高效率的设计中，效率的提高也会产生重大影响。效率为95％的设计热损耗为5%，效率为80％的DC/DC转换器热损耗为20%，相差四倍。这种差异会影响系统设计的许多方面：

可以降低工作温度，或者可以在相同工作温度下提高系统功率密度

系统的物理尺寸减小

由于可使用较小甚至无需使用散热器，因此系统成本将更低

可靠性大幅提高

对于交流电源系统，前端交流/直流电源将更小且成本更低

电池供电的系统可以使用较小的电池或在给定的供电水平下运行更长时间

对系统的能源成本和环境影响将减少

5V DC/1A输出的DC / DC转换器在各种输入电压下的效率曲线。图片：RECOM

效率可以通过多种方式体现，例如在各种输入电压电平，各种输出功率电平等情况下的典型值（非常常见），保证的最小值。并且，在所考虑的范围内，效率通常不是平坦的。对于输出功率与效率的关系，重要的是要考虑效率曲线的形状，并将其与系统的预期运行状态相匹配，以在实际运行条件下最大化效率。

在许多应用中，尤其是电池供电的设备，空载功耗可能是重要的指标，它与开关电路的功耗有关，是整体效率的限制因素。

输出调节

额定输出电流是一个简单明了的规格。某些DC/DC转换器还规定了最小负载。根据转换器的不同，低于最小负载的运行会对电压调节产生负面影响，但不会损坏转换器。输出电压是要指定的更复杂的参数。提供用于指定输出电压的起点的两个因素是标称值或“设定点”，以及该标称值与各种独立参数（例如输出负载的变化，输入电压的变化和工作温度变化。)

设定值规格的一个例子是在额定输入电压，满载和25°C下为±1％。电源和负载调整率通常指定为百分比或绝对范围，例如，±0.1％或±5mV。温度调节通常指定为“每摄氏度”，例如±0.01％/°C或百万分之一（PPM），如PPM /°C所示。一些DC/DC转换器供应商提供了针对所有可能变化的“总调节”的单一规范，而不是提供上面概述的各个规范。对于低于3V的电压，详细规定输出电压调节可能更为重要。

在典型应用中，与输出负载水平相比，在系统运行期间，线路输入电压和工作温度变化相对较小。结果，负载调节是更关键的规格。另外，由于输出负载中阶跃函数的变化而产生动态电压调节（有时称为瞬态响应）。

动态调节

对于许多系统，动态调节比静态电压调节更为关键。在指定动态调节时，有必要对负载的绝对变化，变化率，“恢复”的定义以及达到恢复的时间进行量化。例如：“负载变化为25％至75％，dI/dt为0.1A/µs，最大偏差为3％，并在200ms内恢复到设定值的1％。”输出电压将在电流增加时减小，而在电流减小时增加。

输出电压动态调节，显示瞬态响应偏差和恢复时间。（图片：Keysight Technologies）

动态响应既是系统设计的考虑因素，也是电源设计的考虑因素。配电网络的阻抗和去耦设计对动态调节具有重大影响。对于板上安装的DC/DC转换器，为FPGA和微处理器等大型数字IC供电时，动态调节尤其重要。

开关DC/DC转换器的输出包含低频（纹波）和高频（噪声）分量，通常以0至20或50 MHz的峰峰值表示。对于5V输出，纹波和噪声的典型规格峰峰值为75mV。纹波的频率与转换器的开关频率有关。噪声的可变性更大，并且是由开关模式转换器工作中固有的高dI/dt寄生电感振铃引起的。噪声在开关转换期间突然出现，并叠加在较低的频率纹波上。使用板载DC / DC转换器时电磁兼容性需要详细考虑。

保护功能

过流保护旨在保护转换器免受系统故障（例如短路）的影响。有三种常见的方法来实现限流保护，最大限流，折返限流和打嗝限流。在最大电流限制中，负载电流被限制在不超过最大值的范围内。当达到该值时，输出电压下降。在电流限制阶段，DC / DC转换器中的功耗通常比正常操作中的功耗高。折返电流限制可在检测到故障时降低输出电流。与最大电流限制相比，这可以实现较低的最大功耗。但是，折返电流限制可能会在启动时提供较少的电流。结果，如果启动期间的负载电流大于折返电流极限支持的值，则输出的上升速度会变慢，否则转换器可能无法启动。

当电流检测电路在打嗝电流限制中发现过电流情况时，DC/DC转换器将关闭一段时间，然后尝试再次启动。如果消除了过载条件，转换器将启动并正常运行；否则，控制器将认为是另一种过电流情况并关闭，重复该循环。打嗝操作消除了其他两种过流保护方法的缺点。但是，由于需要定时电路，因此更加复杂。

打嗝电流限制比最大电流限制或折返电流限制更为复杂。带有打ic保护功能的转换器每次尝试重新启动时都会发出“滴答”声。图片：RECOM

通常，将转换器故障导致的输出过压条件钳位在特定水平。装置通常在短路状态下发生故障，从而防止损坏主机系统。某些DC/DC转换器还具有欠压锁定功能，可在低输入电压下将其关闭。转换器在“掉电模式”下工作，在该模式下，输出功率受限，以防止过多的输入电流流入。

一般规格

在特定应用中，许多附加规范可能很重要，例如用于转换器配置和监视的PMBus通信功能。远程开关功能可控制多个转换器的上电和断电顺序或出于安全原因选择远程，遥感功能对某些应用可能很重要。

大多数板上安装的DC/DC转换器是非隔离的降压转换器。不过，有时还是需要隔离转换器，并且需要指定隔离电压的水平。隔离电容也很重要，主要是隔离式转换器中变压器初级绕组和次级绕组之间的寄生耦合。