一个研究生工程师设计的DC-DC降压调节器

在一些项目合作过程中，经常有一些高校的合作项目，学生和毕业生们提出了很多问题，问他们可以做些什么来提高自己的技能，并证明自己的价值。我建议做一些有助于巩固他们技能和展示他们设计经验的项目——我写了一篇文章，里面有关于开始项目的建议和一些项目想法。在本文中，我们将研究该项目中某个电源的实现。

我想既然我设计了几百个切换模式电源，我只是浏览一下设计，可能不会像设计电源时遇到的陷阱或问题那样具有教育性或信息性。它们表面上看起来微不足道-加上几个电容，集成电路，电感和一些电阻，对吗？然而，开关电源的电流回路和元件选择是非常重要的。我认为，聘请一位在电源设计方面没有太多经验的刚毕业的电子工程师，让他按照学生项目创意文章中列出的要求来设计电源，这样会更有意思。

你可以在我的网站上找到这个项目的最终PCB设计 github页；它是在麻省理工学院的开源许可下发布的。由于这个设计是由别人完成的，所以原理图样式与我通常的项目略有不同。您还可以在我广泛的开源代码中找到此设计中使用的所有组件天体高度设计师图书馆 .

任务是设计一个独立的DC-DC降压变换器. 对任何对电子产品感兴趣的人来说，理解和设计一个电压源是一项至关重要的技能，从业余爱好者/制造商水平到全职专业人士。切换电源因此，它们通常不需要高效率的线性供应。实现一个开关模式电源如前所述比线性电源更复杂-有了线性电源，你不会真的出错。

电源要求：

• 输入电压7.0~14.0V

• 输出电压5.0V

• 输出电流1.0A

这是墙壁电源适配器到5V电源的典型要求。你可能有一个电源适配器，用于你家周围不再需要的设备，如果你没有实验室电源，你可以用它来测试。你也可以用9V电池供电。输入范围从7到14伏提供了广泛的兼容性与各种墙壁电源以及不同的电池化学。

5V是一种非常常见的输入电源要求，尤其是通过USB电缆供电时。1A的输出电流足以满足您可以构建的大多数轻负载独立项目。

我离开了这位研究生工程师，决定他将如何实现电源，唯一的限制是组件应该可以从像DigiKey和Mouser这样的主要电源上随时可用。用不易获得的组件来构建电源没有多大意义！

他选择了以德州仪器TPS561208DDCR. 该buck变换器集成电路具有4.5V～17V的输入电压和0.76v～7V的可调输出电压和1A的最大输出电流，很容易满足要求。此外，这种集成电路还满足了随时可用的其他要求，因为它可以从所有主要的分销商那里购买。

在这一点上，我会注意到，当设计一个1A电源时，我通常会选择在一个具有更高额定电流的IC周围设计一个电源，所以我的电路的最大额定功率仍然在调节器IC的范围内。这在现实中不应成为问题，因为有一些能力将供应推高到其评级之外，但我试图在任何时候都不要在其评级的边缘运行任何IC。

除了要求零部件库存充足外，还应尽量避免使用带有“不推荐用于新设计”、“NRND”、“不再可用”或“过时”标签的部件。这些标签意味着这些部件或已接近或已处于其生产寿命的末期，如果制造尚未停止，则可能不会在近期内制造。当你的能源供应可能会在有限的时候被重新设计，而你的能源供应可能仍然是有限的。这种重新设计和重新认证可能非常昂贵和耗时，可能会使您设计的产品处于无望状态，没有任何库存可供出售，或无法制造更多单元。

如果要检查组件的可用性，可以单独检查每个分销商的库存或使用 八达通一次检查它们。八分之一 ®将允许您查看组件在全球的库存情况，以便您可以了解库存水平和访问库存。

在我们深入研究这位毕业生所从事的工作之前，我将提到，大多数德州仪器监管机构都可以在Web Bench中找到。这个在线平台将为您计算一个示意图，以满足您的要求。虽然直接实现它可能会非常诱人，但值得注意的是，在webbench上使用的模拟和模型在过去就存在问题。如果在电路设计的任何方面使用任何计算工具，并根据其中包含的规范和公式进行计算，则应阅读数据表。这不仅可以让您再次检查计算的设计，还可以让您再次检查数据表，还可以更深入地了解调节器的工作原理。了解为什么要使用某个值或额定电流的元件，对于理解调节器的工作原理以及可能存在的布局考虑因素至关重要。

作为TPS561208原理图设计的第一步，选择输出电压电阻器将输出电压设置为5V。电阻可通过以下公式计算：

如果计算微分方程不是你的强项，你可能会喜欢符号计算器它提供了一步一步地解方程或使用知识引擎 .

选择合适的电阻值可能很有挑战性，因为选择较低的电阻值意味着转换器不太容易受到噪声的影响。同时，轻载时的效率也会降低。R2电阻器的值从数据表中的推荐表中选择为10k欧姆，然后根据以下公式计算R1值：

由于55.104k欧姆电阻不是标准值，因此选择了56.2千欧的电阻值，这为我们提供了5.08伏的输出。

输出电压电阻器

这个数据表建议输入电容器为10 uF或更大，因此选择了22 uF的电容器，因为许多9V壁装适配器噪音很大。

输入电容器

电感器的选择会变得相当复杂，因此该值是从推荐的元件值表中选择的：

推荐组件值表

不过，别忘了选择额定饱和电流和额定电流1A以上的电感器，这样电感值就稳定了，并且保证电感器不会过热。通常，数据表还将包含一个计算通过电感器的电流的公式，因为电路上的负载不一定是电感器这可能是选择正确组件时的一个关键因素。

毕业生也选择了推荐的输出电容器数据表中表中的值。对于稳定的转换器，建议输出电容在20-68uF之间。在本设计中，选用了单一的中值47uF电容器。我喜欢他稳妥行事，遵循数据表的建议。大多数主要的供应商，如德州仪器和模拟设备，已经对他们的设备进行了广泛的测试，并在他们的数据表中提供了优秀的建议。当谈到电源设计时，您应该对功能有很好的理解，并有充分的理由偏离数据表中的建议。例如，如果电源上的负载变化很快，您可能会选择增加显著更高的电容。

除了输入和输出电容器外，还需要一个自举电容器才能正常工作。制造商建议0.1 uF陶瓷电容器的值。

最后要选择的是连接器。有各种各样的连接器可供选择，以满足市场上的每一个需要。毕业生决定仔细研究天体图书馆为了找到一个他喜欢的，因为没有对连通性的要求，他选择了TE connectivity的2针接线板，使连接电线和测试电路板变得容易。接线板也很容易找到，而且其他接线板连接器（通常间距2.54 mm）也可以轻松替换。我也会同样高兴的是一个USB类型的a型连接器的输出；然而，接线盒确实使测试更加容易。

TPS561208DDCR降压变换器设计原理图

我没有向我的研究生工程师提供任何关于PCB设计，而且他在原理图设计方面进展很好，没有陷入任何陷阱，所以我有兴趣看看他是如何进行PCB设计的。PCB设计是一个很快就会出错的切换模式设计。当我第一次学习如何设计电源时，我确实犯了一些错误，导致电源极不稳定，似乎没有任何理由会烧坏自己——然而，原因是电路板布局不好。开关电源如果供应处于不稳定的状态，供应是不可饶恕的，当事情开始变得可怕时，它们会很快地让魔法烟雾逸出。

他的第一块板子设计看起来很美，很紧凑，从左到右都很漂亮……但可能表现不佳。

研究生工程师设计的PCB

虽然PCB看起来不错，但它有几个问题：

1. 不遵循数据表中推荐的布局和设计提示。德州仪器公司通常在其数据表中提供广泛的布局建议，应该予以关注。您可能认为数据表中的布局建议针对的是经验较少的工程师，但您可以忽略这些建议，后果自负。这个建议通常是非常合理的，它会让你走上一条通往完美布局的道路，即使它不是特别适合你想要的板形状/面积。

数据表中PCB的布局示例

1. 电感器和电流回路的开关路径未正确布线，这可能导致过度串扰和电磁干扰问题。开关电流环布局电压调节器会极大地影响您的性能，超出调节器的稳定性，并导致调节器是PCB上最嘈杂的东西。这是一个让你失望的好方法EMC认证和样式，并发送您回来创建一个新的董事会修订，以修复问题。

第一个通路设计中的两个电流回路，输入（蓝色）和输出（红色）如下所示：

我第一台DC-DC buck变换器的输入输出电流环设计

出于电磁兼容的目的，通过调节器的电流通路应尽可能短。在本设计中，输出电流路径过长。这将导致额外的噪音，开关串扰以及电磁干扰问题。电流回路应尽可能短和宽，以尽量减少辐射****。

纠正PCB、 我的主要建议是再去看DataSheet，研究电流如何在建议的布局中流动。水流以一种圆形的方式流动，而不经过它自身，提供了一个循环的水流，而不是一个穿越自身的风景优美的迂回道。这其中的一部分是确保从集成电路到关键部件（如前面提到的输入和输出电容器以及电感器）的最短路径。电容器的接地端接应尽可能靠近调节器IC的接地，正极电压引脚也应如此。

我还建议在不依赖多边形的情况下路由每个轨迹，然后将多边形放置在这些轨迹的顶部。通过路由跟踪首先手动操作，你可以可视化并对当前路径的位置有一个很好的感觉。这在地面网络上是最关键的，因为我发现许多经验不足的工程师会添加一个地面浇灌，并假设一切都是好的，而不考虑他们的地面是如何连接或流动的。

布局修正的第一步是正确放置组件。组件布局取自推荐的DataSheet布局，稍作修改以适应所选组件。

按照DataSheet推荐的布局和设计提示放置组件

第二步是手动布线所有走线，而不放置多边形（甚至地面）。这一步需要跟随电流流过输入输出回路和电路。通过这种方式，您可以看到回路的长度以及电流流向：

手动布线PCB

手动布线后，可以检查当前回路：

虽然输入回路没有改变太多，但是输出回路的变化却得到了很大的改善

这使得布局更加实用。

第三步是在输入和输出回路中添加多边形，以便实现尽可能低的阻抗：

添加到输入和输出电流回路的多边形

最后，将顶层和底层地平面添加到设计中。网络已经被手动布线，所以我们知道他的设计将有一个良好的接地电流路径-多边形只是增加了更多的容量和屏蔽。

降压稳压器合理布局的PCB设计

PCB适当降压电压调节器布局的3D视图

校正PCB布局后，输出电流回路变小，输入和输出电流回路都朝向同一方向：

一个简单的DC-DC降压变换器的设计并不像在电路中加入一个线性调节器那么简单。错误的元件选择或布局可能会给您的PCB带来额外的噪音、过量的电磁辐射，最坏的情况是，在某些负载条件下性能不佳或瞬间烧毁的不稳定调节器。

在设计可调输出电压调节器的原理图时，需要明智地选择输出分压器。为分压器选择高电阻值将提高调节器轻载时；然而，对噪声的敏感性会增加。选择低电阻值的效果则相反。

输入电容器的选择可能相当复杂，要考虑输入电源电压纹波和噪声，以及调节器的电流需求，特别是这些需求变化的速度。输入电容器还会影响电源电压上的传导噪声水平，如果传导到电缆中，可能会导致EMC认证的挑战。

开关模式电压调节器的电感器选择是非常关键的，确保它不会饱和，并且具有正确的电感以确保高效运行。相位裕度和其他技术方面也可以发挥作用，并影响调节器的稳定性，但这可能是一篇深入文章的主题。

输出电容器的类型和参数对输出电压轨上的传导噪声有重要影响。使用错误的电容器类型可能会提供大量的电容，但仍然会在输出上提供非常高的电压纹波，而没有太多平滑。

PCB的布局对buck变换器也很重要。为电流回路保持尽可能短和宽的迹线。确保输入和输出电容器的两个引脚都有一个容易的路径回到调节器。电流回路应该是短的，圆形的，并在同一方向流动，以减少电磁干扰。