??開(kāi)關(guān)電源在今天的電子產(chǎn)品中幾乎是必不可少的部分。其優(yōu)點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱少，針對(duì)每一種應(yīng)用可以有多種選擇。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓是通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）的方式解決熱熱擴(kuò)散和效率的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電路的時(shí)候需要考慮的因素有很多，價(jià)格不應(yīng)該是唯一的因素。全面地了解到這些因素可以幫助你選擇性價(jià)比最合適的元器件，在這里我們按照重要性列出了設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候關(guān)鍵的7步：
 
??1.輸出負(fù)載的需求：

??開(kāi)關(guān)DC-DC的輸出端需要實(shí)現(xiàn)的電壓和常規(guī)電流顯然是設(shè)計(jì)中非常重要的因素。元器件數(shù)據(jù)手冊(cè)只是給出了部分的信息，你需要計(jì)算系統(tǒng)需要開(kāi)關(guān)電源提供的最大輸出功率，以保證你選用的器件能夠提供安全的運(yùn)行并有一定的余量。


??同一個(gè)型號(hào)的器件經(jīng)常會(huì)有不同的封裝，每種封裝的熱性能是不同的，輸出的能力也就不一樣。不同的封裝有不同的熱阻，有的封裝在處理熱擴(kuò)散方面比較有優(yōu)勢(shì)。選擇封裝的時(shí)候需要考慮產(chǎn)品空間的要求，同時(shí)也要考慮到可制造性、總體的氣流以及電路板的布局。一般有限的空間或封裝需要非常緊湊的設(shè)計(jì)，需要對(duì)在不影響產(chǎn)品其它部分的情況下如何散熱進(jìn)行認(rèn)真的評(píng)估，即熱量要被正確釋放，才不會(huì)影響產(chǎn)品的其它部分，因?yàn)橛捎跓崃繉?dǎo)致的溫度梯度會(huì)帶給超低噪聲電路、高性能系統(tǒng)、光學(xué)電路一系列的性能問(wèn)題。

??比如-凌力爾特公司（現(xiàn)ADI）的LT1170，一個(gè)型號(hào)有幾種不同的封裝，從最通用的TO-220到DIP-8、8-SOIC、16-SOIC以及D2PAK-5表面貼裝版本，SOIC-16提供最差的熱性能。因此，選用LT1170時(shí)，這個(gè)器件能夠提供的功率（與任何開(kāi)關(guān)電源元器件一樣）將取決于所選的封裝、電路的配置、外圍的元器件、電路板的布局以及散熱的設(shè)計(jì)等等。

??如果你選中了一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器件，最好先弄一個(gè)該器件的評(píng)估板，事先評(píng)估一下其在特定應(yīng)用時(shí)的性能。開(kāi)關(guān)頻率可能是一個(gè)問(wèn)題，將這個(gè)器件同系統(tǒng)中的其它部分一同工作起來(lái)，這樣就能夠測(cè)出來(lái)是否需要額外的過(guò)濾、散熱器，或其它器件。

??2.輸入端的考慮

??一些系統(tǒng)的供電電源的電壓是確定的，但在其它情況下，電源輸入級(jí)必須考慮到各種可能，例如不同的電池電壓或波動(dòng)的電源。這在汽車應(yīng)用中尤其要注意-電源元器件可能必須承受冷啟動(dòng)和負(fù)載突降。

??某些電源（如電池）可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而惡化。你的開(kāi)關(guān)電源電路應(yīng)能夠應(yīng)付這種惡化，以在各種系統(tǒng)條件下提供穩(wěn)定的輸出。因此在設(shè)計(jì)電源時(shí)了解輸入范圍和工作條件非常重要。

??例如，隔離是一個(gè)很好的特性，但并不總是必要的。如果它是在前一階段集成的，那么在同一系統(tǒng)中可能會(huì)有一個(gè)隔離的AC-DC轉(zhuǎn)換器，因此在該電路中實(shí)現(xiàn)了隔離。或者，系統(tǒng)可以是基于電池的，并且不需要隔離。

??隔離式開(kāi)關(guān)電源是非常復(fù)雜和昂貴的，可以根據(jù)必要性進(jìn)行選用。請(qǐng)注意，沒(méi)有隔離的交流線電壓可能會(huì)引發(fā)安全和監(jiān)管問(wèn)題。即使在直流供電系統(tǒng)的情況下，接地回路也會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的麻煩，隔離是解決未知問(wèn)題的好方法。

??3.處理好發(fā)熱和散熱的問(wèn)題

??通常，標(biāo)稱的輸出功率是在最佳溫度條件下、提供給元器件最佳散熱器的情況下獲得的。但實(shí)際情況是，在目標(biāo)應(yīng)用中負(fù)載所需的功率下，溫度可能會(huì)高于室溫。如果您的產(chǎn)品進(jìn)行了某些包裝，那么空氣的流動(dòng)將受到限制。你需要根據(jù)需要制定適當(dāng)?shù)臒岵呗院涂赡艿纳帷?/span>

??如果要使用外部散熱器，最好是跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)一起評(píng)估熱量的流動(dòng)。當(dāng)然也可以用其它的方式幫助散熱，例如直接在外殼或其他結(jié)構(gòu)支撐中。一些散熱器需要額外的工作，例如熱化合物，絕緣體或螺釘支撐，而一些散熱器設(shè)計(jì)的方便自動(dòng)安裝。可能的替代方案是使用該印刷電路板（PCB）來(lái)釋放熱量。

??圖1 16PSOP封裝下方的熱墊有助于將熱量釋放到PCB

??接下來(lái)，選用器件正確的封裝。飛兆半導(dǎo)體ML6554降壓穩(wěn)壓器采用16PSOP封裝，可能被誤認(rèn)為是SOIC-16，但它下面有一個(gè)導(dǎo)熱墊，用于元件釋放熱量到PCB（圖1）。這就是元器件如何來(lái)處理散熱的，如果未放置導(dǎo)熱墊，元器件將因熱問(wèn)題而過(guò)早的關(guān)閉。另外請(qǐng)注意，基于層上的銅盎司（0.5,1,2等），平面的散熱能力會(huì)有所不同，較薄的層需要更寬的面積才能達(dá)到相同的冷卻效果。

??還應(yīng)考慮元器件的工作溫度范圍。比如電解電容在低溫范圍內(nèi)受到限制，并且在極端溫度下電容會(huì)發(fā)生顯著變化。

??4.確保使用的元器件的質(zhì)量

??元件的質(zhì)量在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器性能中起著重要作用。除了元器件的值之外，其他參數(shù)必須是正確的。例如，相同電感值的電感器可能具有不同的飽和度。電感飽和是指器件的磁特性受到超過(guò)其能力的應(yīng)力，并且器件不像所需的電感器那樣工作。

??電容器的電容值也隨溫度和頻率而變化，因此正確的類型和質(zhì)量才能實(shí)現(xiàn)正確的工作。即使來(lái)自同一制造商的類似電容器也可能具有不同的特征和價(jià)格。United Chemi-Con公司擁有各種電解電容器，有些是KMG系列的通用型的；其他如MZA系列是低阻抗；MVH系列能夠提供更高的紋波電流。其他供應(yīng)商提供類似的品種，因此，只關(guān)注電容值和類型是不夠的。

??源阻抗非常重要。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸入端的一些電感可以阻止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電流尖峰耦合到源極。但在某些情況下，它可能會(huì)在輸入電壓上產(chǎn)生一些振鈴和尖峰。每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片都設(shè)計(jì)用于特定的元器件組合，具有從最小到最大的可接受值范圍，因此必須仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表格以確定任何潛在的限制。最好是通過(guò)xls表格進(jìn)行所有的計(jì)算，計(jì)算的時(shí)候所有元器件的值都有一個(gè)從最小值到最大值的范圍。

??另一方面，選擇不合適的元器件會(huì)危及產(chǎn)品的認(rèn)證。開(kāi)關(guān)電源往往有很多噪聲，到一定程度可能會(huì)引起電磁干擾（EMI）。使用屏蔽的電感和高質(zhì)量電容器可以最大限度地減少系統(tǒng)中的噪聲。電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）在電路穩(wěn)定性和性能方面發(fā)揮著重要作用。某些配置可能需要特定的ESR，因此您并不總是需要低ESR。

??尤其要注意輸入和輸出電容。

??輸入電容可降低轉(zhuǎn)換器輸入端的紋波電壓幅度，從而將RMS紋波電流降至大容量電容可處理的水平。陶瓷電容具有降低紋波電壓幅度所需的極低ESR。因此，將它們靠近開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器輸入是很重要的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器切換時(shí)，它必須從輸入源汲取電流脈沖。額外的電解電容或鉭電容有助于為負(fù)載提供足夠的能量。

??輸出電容能夠?yàn)V波并最大限度地降低輸出端的紋波。它是電容器ESR的功能，同時(shí)也會(huì)影響穩(wěn)壓器環(huán)路的穩(wěn)定性。優(yōu)質(zhì)電容器具有指定的ESR，通用的電解電容器僅指定120Hz時(shí)的ESR，但高頻電容器在20 kHz至100 kHz的較高頻率范圍內(nèi)其ESR都能夠得到保證。如果工作溫度降低，ESR將會(huì)增加，輸出紋波電壓將相應(yīng)增加。在-40°C時(shí)，典型鋁電解電容的ESR可能會(huì)增加40倍，因此要在低溫應(yīng)用中充分評(píng)估電解電容的使用。

??還應(yīng)考慮輸出電容可以處理的紋波電流。由于功率損耗，該電流會(huì)增加電容器內(nèi)部的溫度，因此忽略驗(yàn)證電容器的紋波電流可能會(huì)產(chǎn)生煙火后果。并聯(lián)的電容器可用于滿足ESR以及RMS電流處理的要求。

??某些電源可能需要元器件認(rèn)證。你要確保哪些部件需要測(cè)試以及如何測(cè)試，以便您的設(shè)計(jì)同你的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)能夠做到一致。如果光耦合器用于隔離轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)應(yīng)考慮隨時(shí)間的光衰減，溫度限制和共模的可能性。

??5.做最壞的打算

??運(yùn)行仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否在所需時(shí)間內(nèi)處理輸出電壓下的輸出電流是非常有必要的（圖2）。重要的是要了解元器件隨頻率、負(fù)載和溫度的變化是如何變化的。由于某些開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)特性，它們的最差條件可能不是極端負(fù)載，而是介于兩者之間。通過(guò)運(yùn)行你的目標(biāo)電路來(lái)測(cè)試你的電源在所有可能的變化情況下的狀態(tài)非常重要。

??圖3通過(guò)對(duì)最壞情況的仿真能夠深入了解哪些元器件可能會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生比較大的影響，并能夠發(fā)現(xiàn)其它問(wèn)題。

??在做任何實(shí)際的電路之前，要對(duì)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的正常工作狀態(tài)進(jìn)行仿真。使用Spice進(jìn)行仿真可以運(yùn)行蒙特卡羅分析或最壞情況分析，以確定在不同元器件容限變化下的性能（圖3），它還可用于改變負(fù)載條件。凌力爾特公司的LTSpice是用起來(lái)非常棒的免費(fèi)仿真工具。其它供應(yīng)商也提供了各種工具來(lái)簡(jiǎn)化仿真、器件選型以及元器件評(píng)估。

??圖4用于仿真TI的開(kāi)關(guān)電源器件的WEBENCH工具

??設(shè)計(jì)人員還可以使用德州儀器的WEBENCH工具來(lái)選擇和調(diào)整DC-DC元器件和配置（圖4）。用戶可以輸入所有設(shè)計(jì)要求，如電壓輸入范圍、電壓輸出、電流輸出和溫度，軟件將選擇所有元器件并顯示電路的配置。在大多數(shù)情況下，它會(huì)提供一系列選項(xiàng)，如封裝、元器件的數(shù)量和成本。

??對(duì)于每種設(shè)計(jì)，軟件將顯示熱分析和效率圖。用戶可以運(yùn)行多個(gè)溫度場(chǎng)景，WEBENCH軟件當(dāng)前還無(wú)法同時(shí)運(yùn)行。例如，對(duì)于Vin_min=8 V，Vin_max=48 V，Vout=5 V和Iout=7.5 A，LM5116在不同的工作溫度下顯示不同的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表）。
??所以，不要把第一個(gè)結(jié)果視為理所當(dāng)然！并且，檢查從最低溫度到高溫的所有電路狀況。在確定配置之前，請(qǐng)確保它是最適合目標(biāo)應(yīng)用程序和環(huán)境的配置。WEBENCH總是以30°C的溫度開(kāi)始。并且，WEBENCH未涵蓋所有TI開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因此請(qǐng)查看TI網(wǎng)站上的元器件選擇并進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證。

??許多其它供應(yīng)商提供多種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器-超高效率、極低泄漏、更寬輸入范圍、低噪聲、多輸出等等，有的型號(hào)是組合了線性穩(wěn)壓功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。然后，審慎地審查所有潛在選項(xiàng)的適用性、成本和性能。

??與任何元器件一樣，開(kāi)關(guān)功率器件在其溫度范圍內(nèi)具有降額因數(shù)。要使用較差的條件來(lái)估算你的設(shè)備所需的功率輸出。在一定頻率范圍內(nèi)的功率元件的特性參數(shù)也能看出EMI的性能。

??在最壞的情況下運(yùn)行您的仿真并驗(yàn)證元器件的容限，以確保它們?cè)跍囟群腿菹薹秶鷥?nèi)隨著負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化依然能夠獲得良好的性能。使用不同元器件進(jìn)行仿真可能會(huì)提供廣泛的替代方案，為成本決策提供更好的視角，并為驗(yàn)證元器件大小調(diào)整提供機(jī)會(huì)。

??6.合理利用PCB的區(qū)域、布局和封裝

??一些器件可看成是PCB的散熱器，這些器件占用的區(qū)域在散熱方面起到一定的作用。另外，還要考慮銅層的厚度以及是否應(yīng)該有任何額外的熱過(guò)孔和分布。如果您正在使用它們，請(qǐng)確保您的制造廠能夠在其生產(chǎn)線上處理散熱孔。有些庫(kù)中沒(méi)有能夠支持更大電流的封裝，這就可能需要在PCB布局中添加額外的銅定義。

??

??使用短而寬的PCB走線來(lái)降低壓降并最大限度地降低電感。高頻開(kāi)關(guān)使得良好的元件布局勢(shì)在必行。首先放置開(kāi)關(guān)元件并靠近儲(chǔ)能元件。最大限度地減少輸入和輸出回路，以減少輻射和高頻共振問(wèn)題。該策略將最小化PCB上的電流回路，這是電磁輻射的主要元兇。此外，在進(jìn)行元器件布局的時(shí)候一定要參考該器件的評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)。可靠的地平面和鋪地將有助于散熱并增強(qiáng)功率傳遞。

??7.性能測(cè)試

??按照器件的設(shè)計(jì)指南以及元器件的選擇公式，可以在一定程度上驗(yàn)證設(shè)計(jì)。電路仿真可能會(huì)在邊界條件下的操作方面回答一些其它問(wèn)題。但是，最重要的還是最終性能的測(cè)試。只有在您的目標(biāo)應(yīng)用的真實(shí)電路板上才能進(jìn)行最終的電源和EMI驗(yàn)證。

??聯(lián)邦通信委員會(huì)要求在美國(guó)進(jìn)行測(cè)試。由于所有開(kāi)關(guān)電源都會(huì)發(fā)出一定程度的EMI，因此它們可能成為失敗的罪魁禍?zhǔn)?。仔?xì)放置元件、布局、產(chǎn)品集成和包裝可能會(huì)減少總體排放，但需要在最終產(chǎn)品中進(jìn)行驗(yàn)證。

??一些新的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器允許改變開(kāi)關(guān)頻率，這應(yīng)該在EMI違規(guī)的情況下進(jìn)行探討。一些DC-DC穩(wěn)壓器提供抖動(dòng)，可以在運(yùn)行中不斷改變開(kāi)關(guān)頻率。因此，能量在更寬的范圍內(nèi)擴(kuò)散，并且在每個(gè)單獨(dú)頻率處產(chǎn)生的發(fā)射能量的幅度更低。

??某些情況可能需要在開(kāi)關(guān)元件上增加一個(gè)緩沖器，以降低噪聲，但需要額外的功率。最后，應(yīng)進(jìn)行全溫度范圍測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)操作，以確認(rèn)開(kāi)關(guān)電源和與產(chǎn)品相關(guān)的其余電子設(shè)備的合適的性能。