先介紹幾個應用實例從這些應用實例中，了解如何分析DC/DC變換器設計中的問題及解決方法，從常見的buck電路，在平時設計和調試過程中，從DCDC變換器性能，功能設置，控制環設計，板子布局和測試技巧，通過這些分析實例能了解DCDC電路中在試機階段快速解決掉一些常見的問題。
常見的電子產品的電源系統中， DC-DC開關電路中的Buck轉換電路入手分析，Buck是最基本的DC-DC電路之一。有關Buck電路一些設計的主要原則，好多人已經熟悉了。
電子產品通常是從一個交流電取電，轉成400V的一個高壓，再通過一個高壓的降壓 DC/DC，轉化為DC12V中間的直流母線，終端負載可能是一個FPGA，也可能是微處理器MCU，也可能是一個Flash存儲器。如圖的供電系統是給一個電子產品供電，最終的負載所需要的供電電頻，可能不盡一樣，這時就會在中間母線12V，會在終端的負載之間一般要加buck電路，把12V轉化為負載需要的電壓。
圖1就是一個電源系統功率傳遞的簡圖，
圖1一個電源系統功率傳遞的簡圖
電源中最常見的DC/DC中的buck變換器，是最簡單最高效的DCDC變換器，應用非常廣泛，當然它的工作原理也非常的簡單。
圖2 的Buck變換器的開關狀態工作簡圖
它主要有兩個開關管、一個電感和一個電容組成，其工作模態主要有兩個，
上管導通的時輸入電壓通過Q1，電感被輸出電源和負載供電，當上管關斷的時候下管導通，
電感電流通過Q2續流，此時電感電流下降。圖3是buck電路的一個工作波形，圖的上面是開關節點的電壓，圖的下面是電感的電流。
圖3 buck電路的一個工作波形
問題1：變換器的性能
先看一下圖4中的兩個圖，從圖中看，哪個器件更適合8A的輸出電流呢？左邊這個是芯片A 最高溫度是59.6℃。右邊的是芯片B ，最高溫度是82.4℃。
但是這兩個圖的芯片，是在測試條件以及工作頻率是一樣的條件下測試的。
Vin：12V；Vout:1.8V；工作電流：8A；工作頻率：700KHz
圖4，兩個測試條件一樣的buck芯片溫升的熱仿真圖
問題出來了，看圖中芯片的仿真溫度是怎么回事？
其實從這個圖中可以非常直觀看出，partB的溫升比partA高了20℃
那它的溫升面積也更大，但奇怪的是這兩個器件的額定電流都是8A
這又是為什么呢
我們來看看它們究竟有什么區別，如圖5是partA和partB 參數對比
圖5是partA和partB 參數對比
通過圖5表格對比可以看到，兩個器件的輸入電壓范圍、額定電流，以及尺寸都是相同的，唯一的不同就是在于它的Rds（on），partB的Rds（on）比partA的大了兩到三倍
管子導通的時候，一個導通損耗也比較大，對于partB，它的溫升接近60℃，如果環境溫度是85℃的話，那么芯片將不能正常工作，所以在高溫環境下partB是不能使用的。
另一方面，對于溫升，我們通常需要考慮，平均電流或者說是持續電流，如果不需要長時間的工作，或者是散熱條件比較良好的情況下，選擇成本更低的partB ，也不失為一種明智的選擇。
問題2：很多時候我們經常遇到的問題是，剛做好的板子，上電，發現啟動不了。
示波器看數字電壓的時，可能會看到這樣的波形，數字電壓上去了一點就掉下來，并且這個過程不停的重啟，有時候甚至在非常輕的情況下，電感電流都會沖得非常高。
為什么呢？
為什么變換器不能正常啟動
先假設幾個可能：
1是輸出被短路；
2是觸發了過流保護；
3是芯片的最小導通之間受限了；
4是因為芯片溫度太高；
5是觸發了過溫保護。
實際工作中，我們遇到這來問題，大部分電源工程師認為是是觸發了過流保護，但也有人認為是最小導通時間受限，或者是輸出電壓被短路了。
圖6，電感Vout和IL的測試圖
其實這個是因為輸出電容太大，而使得變換器在啟動過程中對電容的充電電流太大，而觸發了芯片內部的過流保護。
從圖6，電感Vout和IL的測試圖，可以看到，啟動過了一段時間就會重新嘗試啟動，這是典型的自動重啟功能在起作用。
那么如何解決這個問題，分析一下它啟動時的電感電流
圖7電路啟動電容充電
電感電流是等于負載電流，加電容充電的電流，此時電容的電流和啟動時間相關。
可以通過圖7中的式子，啟動時間越長，它的一個充電電流就會越小，而電容量越大，它的充電電流就越大，所以會在電感上看到更大的沖擊電流。
圖8啟動電流測量
電路軟啟動的時間的確定，主要取決于采用較少輸出電容，就可以減小電路的沖擊電流，為了正常啟動，我們必須避免沖擊電流過大，觸發過流保護，或者導致輸出電壓出現明顯的下跌，其次，如果是多級電路，要按照一定的秩序去啟動各路輸出，來避免同樣的問題。
問題3:控制環設計帶來的波形問題
有時在測量波形時，會被開關波形大小波搞得一頭霧水，看到如就是一個寬的，一個窄的這兩個波形，那出現這種波形的原因
圖8，增益裕量是5db開關波形大小波問題
是什么呢？
正確答案應該是增益裕量不足，我們從它的波特圖就可以非常明顯看出來，它的增益裕量只有5db ，是非常小的，可以看作是一個簡單的反饋控制系統，這個很容易導致我們的環路不穩定。
通常來說，環路的增益裕量要大于10個db ，而相位裕量也要在60度以上。
圖9，增益裕量調整到10db的波形和波特圖
重新調整了環路參數，使其增益裕量在所有的工作條件下，都大于10db 。
這時候可明顯看到，開關節點的波形就穩定下來了。
由此可見，足夠的環路裕量對于系統的穩定工作，是非常有必要的。
問題4：板子布局帶來的問題。
電路做好了，電壓值不穩定，測量波形是開關節點的波形有很大的尖峰，也很振蕩。
這個原因是什么：
我們從下面這幾張圖就可以看出來
圖10 輸入電容的位置問題
第一個是芯片附近根本沒有輸入電容，對應的波形就是我們剛才所看到的波形，振蕩電壓高達10V。第二個是我們在芯片的左邊放了一個電容，但是沒有很靠近芯片，結果振蕩降下來的一點，但是還是比較大，然后我們又在芯片附近放了兩個電容，這個時候振蕩波形就降到5V了，已經有非常明顯的改善，如果我們在芯片的兩邊都放電容，可以看到它的振蕩就非常小2V左右，所以這個是跟我們芯片。兩邊的一個輸入電容擺放的位置有關系。
圖11 BUCK電路電感的續流回路對比
我們來看一下，對于buck變換器
它的主要功率回路有兩個，一個是輸入到輸出的回路，一個是電感的續流回路，這兩個回路的面積，會直接影響到我們的一些寄生參數，而減少它的環路面積，可以有效減少我們回路里面的寄生電感，同時也降低了電磁干擾。
還需要注意的是，把一些對噪聲比較敏感的模擬線路，比如說Fb、comp這些引腳，原理噪聲比較大的功率回路，像se或者是boot這些腳。另外加一個緩通電路或者門極電阻，來減慢它的一個開關速度，這個也是可以減小到它開關上面的一些振蕩，但是這是以增加開關損耗為代價來實現的，并不是最優的辦法。
問題5：測試技巧問題
DC-DC轉換器可以看作是一個簡單的反饋控制系統，有時在分析電路的反饋系統穩定性，而波特圖是很方便的工具，而有時測出的波特圖上面的一些看起來好像噪聲很大，毛毛躁躁的
圖12 沒有優化的波特圖
看到這種波特圖，對自己搞的電路可能心里會很沒底，到底是測試有問題，還是本來測試結果，是哪里出了問題呢？
圖13 信號注入大的波特圖
原因是注入交流小信號的幅值太高
為什么？我們在測量環路的波特圖時，是從輸出電壓上面，注入一個交流的小信號，通常來說這個信號是遠遠小于我們的輸出電壓，如果注入信號太大的話，它就會影響我們電路的一個正常工作，有可能導致開關波形出現，上面所示的一個丟波現象，此時得到的波特圖是沒有任何意義的。
因為我們的電流已經不是在正常狀態了，那我們減少注入信號的一個幅值，就會看到我們的
圖14??優化后測量的波特圖和Vout和開關節點SW的震蕩波形
波特圖又變平滑了。那如何設置注入信號的大小呢？如果注入信號太大的話，可能會導致電路的工作不正常，但是注入信號太小，又可能導致我們測量的不準確。
通常來說，我們如何去選擇一個比較合適的信號，來得到準確的一個波特圖，首先注入一個比較小的信號，然后慢慢增大到信號的幅值，直到在輸入電壓上可以觀測到，看到一個比較規律而穩定的振蕩。
另外，還可以在注入信號上面采用不同的頻率，對應不同的幅值，來實現最佳測量的目的。
總結一下
從DC/DC變換器的一些基本工作原理，以及例舉了一些常見的問題，，分析了BUCK電路常見的錯誤和解決辦法，包括變換器的額定功率，以及它的一些熱性能它對控制環路的補償，和起機過程中得功能設置，然后PCB layout對我們一些開關波形的影響，以及一些波特圖的測量技巧。
然后我們解釋了這些問題發生的原因，以及如何避免這些問題的發生，可以作為在調試階段，或者設計過程中，作為一個參考材料，幫助大家解決一些常見的問題。
作者：電子闊少， 來源：面包板社區
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