升压变换\降压变换\交直流转换(AC/DC、DC/AC)\极性变换电路原理

DC-DC变换器(DC-DC converter)是指在直流电路中将一个电压值的电能变为另一个电压值的电能的装置。DC-DC是一种新研制的小型化电源开关模块，它是采用微电子技术，把小型表面安装集成电路与微型电子元器件组装成一体而构成。DC-DC电源模块的使用有利于简化电源电路设计缩短研制周期，实现最佳指标等，可广泛应用于各类数字仪表和智能仪器中。DC-DC电源模块广泛用于电力电子、军工、科研、工控设备、通讯设备、仪器仪表、交换设备、接入设备、移动通讯、路由器等通信领域和工业控制、汽车电子、航空航天等领域。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，电源模块的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，电源模块的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，电源模块功率密度越来越大，转换效率越来越高，应用也越来越简单。

一、隔离

1、噪声隔离：(模拟电路与数字电路隔离、强弱信号隔离)2、安全隔离：强电弱电隔离\IGBT隔离驱动\浪涌隔离保护\雷电隔离保护(如人体接触的医疗电子设备的隔离保护)3、接地环路消除：远程信号传输\分布式电源供电系统

二、电压变换

升压变换\降压变换\交直流转换(AC/DC、DC/AC)\极性变换(正负极性转换、单电源与正负电源转换、单电源与多电源转换)

三、保护

短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护

四、降噪

采用有源滤波

五、稳压

交流市电供电\远程直流供电\分布式电源供电系统\电池供电

一站式PCBA智造厂家今天为大家讲讲DCDC电源模块的PCB设计要点有哪些?DC-DC电路PCB设计注意要点。DC-DC电路的PCB设计比LDO会复杂很多，噪声也更大，布局和layout要求更高，layout的好坏直接影响DC-DC的性能，所以了解DC-DC的layout至关重要。

一、Bad layout

- EMI，DC-DC的SW管脚上面会有较高的dv/dt， 比较高的dv/dt会引起比较大的EMI干扰;

- 地线噪声，地走线不好，会在地线上面会产生比较大的开关噪声，而这些噪声会影响到其它部分的电路;

- 布线上产生电压降，走线太长，会使走线上产生压降，而降低整个DC-DC的效率;

二、一般原则

- 开关大电流回路尽量短;

- 信号地和大电流地(功率地)单独走线，并在芯片GND处单点连接;

1. 开关回路短

下图中红色LOOP1为DC-DC高边管导通，低边管关闭时的电流流向;绿色LOOP2的为高边管关闭，低边管开启时的电流流向;

为使这两个回路尽量小，引入更少的干扰，需要遵从如下几点原则：

- 电感尽量靠近SW管脚;

- 输入电容尽量靠近VIN管脚;

- 输入输出电容的地尽量靠近PGND脚;

- 使用铺铜的方式走线;

为什么要这么做?

- 走线过细过长会增大阻抗，大电流在此大阻抗上会产生比较高的纹波电压;

- 走线过细过长会增大寄生电感，此电感上耦合开关噪声，影响DC-DC稳定性，造成EMI问题;

- 寄生电容和阻抗会增大开关损耗和导通损耗，影响DC-DC效率;

2. 单点接地

单点接地，指的是信号地和功率地进行单点接地，功率地上会有比较大的开关噪声，所以需要尽量避免对敏感小信号造成干扰，如FB反馈管脚。

- 大电流地：L，Cin，Cout，Cboot连接到大电流地的网络;

- 小电流地：Css，Rfb1，Rfb2单独连接到信号地的网络;

TI的一个开发板的layout，红色为上管开时的电流路径，蓝色为下管开时的电流路径;如下的layout有如下比较好的优点：

- 输入输出电容的GND用铜皮进行连接，摆件时，两者的地尽量放一起;

- DC-DC Ton和Toff时的电流路径都很短;

- 右边小信号是单点接地，距离比较远，免受左边大电流开关噪声的影响;

三、实例

如下给出一个典型DC-DC BUCK电路的layout，SPEC中给出如下几点：

- 输入电容，高边MOS管，和续流二极管形成的开关回路尽可能小和短;

- 输入电容尽可能靠近Vin Pin脚;

- 确保所有反馈连接短而直接，反馈电阻和补偿元件尽可能靠近芯片;

- SW远离敏感信号，如FB;

- 将VIN、SW，特别是GND分别连接到一个大的铜区，以冷却芯片，提高热性能和长期可靠性;

DC-DC BUCK典型电路

DC-DC电路的layout至关重要，直接影响到DC-DC的工作稳定性和性能，一般DC-DC芯片的SPEC都会给出layout指导，可参考进行设计。

在电子设备中，电源模块是核心组件，将输入直流电压转为设备所需的各种直流电压。DC-DC电源转换器，特别是基于开关方式的转换器，因其高效、小体积和轻重量等优点被广泛应用。但设计优秀的DC-DC电源转换器并不容易。布局、电磁兼容性、电流和散热管理等方面均需深思熟虑和精细调整。

为优化供电性能，开关电源应靠近芯片放置，避免输出线过长导致压降。为降低电磁干扰，避免在开关电源周围布置敏感元器件。为增强稳定性和可靠性，需考虑布线策略、地线加粗、散热地设计等因素。

DC-DC应用类型简介

DC-DC电源是直流电压转换的核心设备，包括LDO等类型。其中，利用开关方式实现的器件常被称为DC-DC转换器。这类电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，并能抗干扰、宽范围输出，因此在电子领域被广泛应用。

DC-DC电源工作原理

DC-DC电源的工作原理涉及到电压的转换和调节。这个过程主要是通过开关电源的变换器来实现的。DC-DC变换器在开关电源中负责将输入的直流电压转换为所需的输出直流电压。一般情况下，这个变换器的工作原理可以分为三个主要步骤：

1) 滤波：当市电经过输入开关接通后，首先经过整流电路变成脉动直流电，再经过滤波电路滤除纹波，变成平滑直流电，供给变换器进行变换。

2) 变换：DC-DC变换器将输入电压通过功率开关管和储能电感产生一定的脉冲功率，然后利用脉冲变压器、整流滤波电路，得到相应的输出电压。电压的转换通过PWM(脉宽调制)或PFM(频率调制)控制开关管的开关时序来实现。在开关电源中，开关管的开关速度非常快，一般在几十微秒的时间内完成开关动作，这个速度要比传统线性电源的调整速度快很多。

3) 调节：输出电压的稳定是通过反馈环路来实现的。当输出电压升高时，通过取样电阻取得的样本信号就会升高，这个信号与基准电压比较后得出的误差信号就会增大，然后通过PWM或PFM控制的方式减小开关管的导通时间，从而降低变换器输出的平均功率，实现输出电压的稳定。