学习内容1.核心原理Buck 电路通过 PWM 控制开关管通断配合电感储能续流与电容滤波实现将输入直流电压稳定降压输出。2.工程问题学习器件选型、噪声抑制、PCB 优化等工作解决啸叫、纹波等问题为落地可靠的降压电源项目做铺垫。1.Buck电路原理1.1 拓扑结构这是一个典型的Buck降压DC-DC变换电路核心功能是将输入直流电压降低为稳定的输出直流电压通过高频 PWM 控制实现高效降压变换。为输入电源提供直流输入电压Vin​是整个电路的能量来源。为PWM 信号源输出高频方波信号控制开关管的导通 / 关断决定占空比 D从而决定输出电压大小Vout≈D×Vin为开关管这是主功率开关管通常为 MOSFET 或 IGBT受PWM信号控制。导通时输入电压向电感 L 储能电流从 Vin 流向电感。关断时电感通过续流回路释放能量维持输出电流。为电感 L核心储能元件利用 “电流不能突变” 的特性平滑电流开关管导通时电感储存磁能电流线性上升。开关管关断时电感释放磁能维持输出电流连续避免输出电压剧烈波动。为续流/同步整流模块为电感提供续流通路在开关管关断时维持电流为输出电容 Cout滤波储能元件平滑输出电压纹波吸收电感电流波动使输出电压更平稳。在负载突变时提供瞬时电流维持电压稳定。为负载电阻 Rload模拟电路的用电负载消耗输出功率体现电路带载能力。为电压测量模块实时测量输出电压 Vout用于观察稳压效果、纹波大小等。1.2 工作原理1.导通阶段PWM 高电平开关管导通 → 输入电压 Vin 加在电感两端 → 电感电流线性上升同时向输出电容和负载供电。2.关断阶段PWM 低电平开关管关断 → 电感通过续流模块续流 → 电感电流线性下降继续向输出电容和负载供电。3.稳态输出高频开关动作使电感电流在“上升-下降”间波动经输出电容滤波后得到稳定的直流输出电压且 VoutVin。1.3 一句话总结流程PWM 控制开关管通断→电感“充磁 - 放磁”储能续流 → 输出电容滤波平滑 → 得到稳定低压直流输出这就是 Buck 电路的核心逻辑。1.4 仿真波形输入100V、占空比50%、开关频率10kHz的Buck降压仿真理论输出电压为50V仿真将验证电感储能续流和电容滤波的降压效果。这次 Buck 电路仿真验证成功1.理论公式 VoutD×Vin 得到了仿真结果的直接印证。2.电路实现了将 100V 输入稳定降压到 50V 输出的功能稳压效果优秀。2.Buck公式汇总2.1公式目的我们运用公式是为了选型选择输入滤波电容输出滤波电容功率电感。那么先把已知条件列出来首先是输入电压Vi输出电压Vo输出电流Vo/R。其次是开关频率f这个在芯片选型之后就是确定的了。再然后就是设计的目标输入纹波大小△Vi输出纹波大小△Vo。2.2 buck电路公式汇总2.3 实际电路应用情况在 Buck 电路实际设计中理想器件公式无法直接用于精确选型—— 真实开关管存在导通压降与开关损耗、电感存在直流电阻与饱和特性、电容存在等效串联电阻ESR这些非理想因素都会让理论计算值出现偏差。不过这些基础公式依然具备重要的指导价值它们能帮我们快速预判电压、电流的量级与变化趋势为器件选型划定大致范围在设计初期通过理论计算建立认知框架后续再结合器件手册与仿真迭代修正最终得到可靠的工程方案。3.Buck电路中功率电感的选型3.1电感值要求举个“栗子”假定BUCK的输入是10V输出是5V负载是2A的电流需求开关频率在2Khz那么求电感值。电感感值推荐取值范围 1.66mH ~ 3.33mH工程可选2.2mH。3.2饱和电流Isat举个“栗子”假定BUCK的输入是10V输出是5V负载是2A的电流需求开关频率在2Khz那么求电感值及其Isat参数。3.3 自谐振频率实际电感具有直流电阻和寄生电容在低频处呈现感性,在高频处呈现容性。这个转折频率就是电感的自谐振频率如下图所示我们需要让电感的自谐振频率避开它的工作频率通常而言这个自谐振频率要远高于开关频率一般可以以10倍频率作为参考也就是说开关频率要低于谐振频率的10%。3.4 直流电阻DCR直流电阻最主要的就是影响BUCK电路的效率大的DCR会引起热损尤其是在重载情况下对于DCR具体的选择没有特殊要求基本是越小越好。4.Buck电源啸叫4.1啸叫的本质原因1.压电效应与磁致伸缩MLCC电容陶瓷介质在电场变化时发生机械形变逆压电效应当开关频率谐波落入音频范围20Hz~20kHz时产生振动噪音。电感线圈在电流变化时因磁致伸缩或机械松动产生振动尤其轻载时脉冲频率可能进入人耳敏感区间。2.开关频率与音频范围重叠部分BUCK芯片在轻载时自动切换为PFM模式脉冲间歇模式其低频脉冲如kHz级易引发啸叫。例如MC34063等老款芯片的固定开关频率约33kHz接近人耳上限。4.2换电感无效的深层原因若更换电感仍无法解决需排查以下非电感本身的问题1.环路稳定性失控恒压恒流控制环路中运放未采用PI结构比例积分导致占空比剧烈跳变。补偿电容/电阻取值不当如反馈路径误用47pF电容造成延迟反馈环路补偿不足如相位裕度45°导致输出振荡表现为电感/电容啸叫。2.PCB布局与噪声干扰关键回路面积过大开关回路芯片→电感→电容→地未最小化寄生电感引发电压尖峰和振荡地平面分割不当功率地与信号地混合导致反馈信号受干扰3.工作模式异常负载突变负载在轻/重载间反复切换引发PWM/PFM模式振荡啸叫频率随之变化。过流保护触发电感饱和电流不足如标称12A电感实际2A即饱和触发芯片“打嗝保护”周期性啸叫4.电容选型与布局输出电容ESR过高或未使用低啸叫MLCC如村田KRM系列电容平行排列加剧振动叠加未采用交错布局或挖槽减振4.3 系统性解决方案1. 优化环路稳定性2. 改进PCB设计最小化开关回路将输入电容、芯片、电感、续流二极管置于紧凑区域用地平面包围。独立地平面功率地与信号地单点连接反馈走线远离噪声源。电容布局MLCC采用45°交错排列或边缘挖槽打断振动传递。3. 元件选型与参数调4. 辅助电路设计RC吸收电路在电感引脚添加0.5Ω电阻串联4.7nF电容到地抑制尖峰。多相交错供电多相BUCK降低纹波振幅减少振动能量。4.4 诊断流程若问题仍未解决按以下步骤排查1.测试开关波形用示波器检测SW节点波形确认振荡频率是否落入音频范围如2-20kHz。2.环路稳定性验证断开负载观察空载是否啸叫逐步增加负载记录啸叫起始点。3.热成像检测定位发热元件如电感DCR过高或电容ESR过大。4.灌胶实验电感浸漆或灌胶若啸叫减弱则为机械振动问题。5.输出电压纹波来源和抑制5.1.输出电压纹波来源由于寄生参数的影响实际Buck电路的输出电压并非是稳定干净的直流电压而是在直流电压上叠加了输出电压纹波和噪声如图1所示。图1 Buck 输出电压纹波和噪声实际输出电压纹波由电感电流与输出阻抗决定由三部分组成如图2所示。1.电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降2.输出电容的充放电3.寄生电感引起的电压突变图2 输出电压纹波的组成5.2 输出电压纹波的测量在测量输出电压纹波时要注意如下几点正确方式如图3所示。1.保证接地环路尽可能小建议使用接地环2.探头应靠近电容两侧3.避免同时使用示波器其他通道测试其他点位的波形4.如果只关注开关频率分量纹波建议打开示波器带宽限制20MHz如图4所示左侧波形同时测量开关节点和输出电压纹波带宽限制关闭。可以看到输出电压纹波中的噪声较大影响纹波的测量。图3 输出电压纹波测试方式图4 输出电压纹波测试对比5.3 输出电压纹波的抑制由以上分析可知输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定式1因此要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。当输入输出电压和负载一定时电感电流的纹波跟开关频率和电感量成反比。减小电感量或者开关频率可以有效降低输出电压的纹波但开关频率和电感往往受到电路效率和体积等的限制。当开关频率和电感值一定时抑制纹波电压最有效的方式是减小输出电容在开关频率处的输出阻抗。在实际应用场景中通常会并联多种不同的输出电容来获得足够的容量并降低输出电压纹波如图5所示。由式(2)-(5)可以计算得到输出电容的总阻抗以及等效的电阻和电容。若已知Buck电路的开关频率通过式(3)可得到开关频率处的阻抗也就可以得到输出电压纹波。图5多个输出电容并联若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求可以增加第二级LC滤波器来进一步降低输出电压纹波如图6所示。图6 Buck 电路第二级LC滤波器综上所述理解输出电压纹波的形成原理根据实际应用要求针对性地优化电感值、开关频率以及输出电容可有效降低输出电压纹波满足应用需求。6.Buck电路布局注意事项6.1 功率回路如图1(a)和1(b)分别是上管开通和关断时的电流回路即我们通常说的功率回路部分。这部分电路负责给用户负载供电承受的功率较大。图1(c)结合上管和下管即Q1、Q2的电流波形图1(c)不难发现只有在两个开关管的部分会出现高电流转换速率。由于PWM信号处电压的快速变化SW点会产生较强的噪声。所以我们在PCB布线时需要特别注意尽可能减小这一快速变化环节的面积来减少对其他部分的干扰。6.2 功率回路的PCB布局对于一个常见的Buck芯片其电感充电功率回路中包含输入电容集成在芯片内部的上管MOSFET功率电感以及输出电容等器件。而电感放电功率回路中则包含功率电感、输出电容和集成在芯片内部的下管MOSFET等。图2(a)电感充电功率回路图2(b)电感放电功率回路在进行PCB布线时这两个功率回路走线要尽可能的短粗在保证通流能力的情况下保持较小的环路面积这样可以减少对外辐射的噪声。1.输入电容需就近放在芯片的输入Vin和功率地PGND来减少寄生电感的存在。VIN管脚旁边至少要有1个去耦电容距离最好小于40mil用来滤除来自电源输入端的交流噪声和来自芯片内部倒灌的电源噪声。2.SW点是开关节点为噪声源所以应在保证电流的同时保持尽量小的面积远离易受干扰的信号走线。另外需要注意的是对于大电流应用的Buck电路尽量不要在SW处打过孔避免把噪声带到其他层去。3.输出电容与输入电容相似输出电容需要就近放在电感的输出VOUT和功率地PGNDPGND与输出电容最短连接并铺整铜以保证功率回路最小。4.铺铜面积与过孔数量这两者会影响到PCB的通流和散热能力。一般需要在VINVout和GND处多打过孔这两处的铺铜也应最大化来达到减小寄生阻抗的目的SW处的铺铜也不能过小以免出现限流的情况。6.3 逻辑电路的PCB布局在Buck电路中一般需要注意以下几个逻辑环节自举电容、反馈电路、VCC和单点接地。1.自举电容中高压Buck芯片内部集成的上管一般都为NMOS故需要BST自举电路。在电感放电期间通过对自举电容进行充电在BST管脚处就会产生一个高于SW的电压在电感充电期间驱动上管。故BST与SW一样也是一个电压高速跳变的点会辐射出较强的噪音。自举电容也要放置在尽可能靠近BST和SW的位置避免对其他信号的影响布线时宽度一般在20mil即可。2.反馈电路一般包括FB上下分压电阻和前馈电容。由于FB点的电压很低普遍在0.6-0.8V左右极易与噪声或纹波混淆是芯片最敏感最容易受干扰的部分。所以在布线时上下分压电阻和前馈电容都尽量靠近芯片摆放来减少噪声的耦合FB电阻连接到FB管脚的走线要尽可能地短来减小寄生电感以及阻抗。同时需要注意FB连接到Vo的走线可以通过过孔设置在其他层但也要尽可能远离噪声源如SW、BST、电感等。3.VCC电容VCC为芯片逻辑电路供电是芯片内部LDO的输出。VCC电容应就近放置在芯片的VCC管脚和GND管脚之间起到稳压的作用。并且电容与芯片尽量在一层不打过孔。4.单点接地输出电流较大的芯片他们的地一般会被区分为PGND和AGNDPGND就是功率地AGND就是我们一般所指的信号地。为了避免整块的功率地影响到较为敏感的信号地建议将AGND和PGND单点连接通过一个0ohm电阻连接也可以。这是因为尽管PGND的大块铺铜可以起到吸收输入端电源噪音的作用但是在输出电流较大的情况下其辐射出的噪音依旧会对敏感的逻辑电路造成影响。单点连接的布线方式可以为我们的逻辑电路提供一个相对“干净”的地。以上就是在画Buck电路PCB时需要着重注意的地方。当画PCB无从下手时也可以先打开芯片的规格书查看demo板的PCB layout或是相关的指导。6.4 PCB“健康体检表”最后为了方便了解自己画的PCB是否合理可以参考以下PCB“健康体检表”做一个自评设计建议比重(%)备注器件位置摆放输入电容靠近芯片放置去耦电容需要放置在VIN与功率PGND管脚旁边6mil 允许元器件最小间距最好不要超过40mil。与芯片放置在同一层。20电感靠近SW管脚放置。与芯片放置在同一层。15使用电源模块可忽略此条输出电容两端需靠近电感Vout端和功率PGND放置。与芯片放置在同一层。15续流二极管需要靠近电感SW与功率PGND放置。与芯片放置在同一层。5使用同步电源芯片可忽略此条VCC电容需靠近芯片VCC管脚放置。与芯片放置在同一层。3FB电阻需靠近FB管脚放置走线尽量短。与芯片放置在同一层。远离噪声源。3BST RC需靠近SW和BST管脚放置。与芯片放置在同一层。3COMP RC靠近管脚放置。3若无此管脚可忽略此条大功率网络铺铜VIN铺铜3SW铺铜在足够通流情况下越短越好。4Vout铺铜3GND铺铜4在最后进行整体铺铜较为便捷VIA过孔GND网络过孔数量≥(IinIout)/200mA4VIN网络过孔数量≥Iin/200mA3Vout网络过孔数量≥Iout/200mA3过孔尽量不打在芯片管脚或器件焊盘上1其他弱电信号EN 电阻尽量靠近芯片摆放可放置在不同层。1SS RC尽量靠近芯片管脚摆放。1PG1其他CSmode等1参考相应规格书走线走线以及铺铜都用45°或者圆弧角。2电感下方不走线。1采样信号平行走线。1若无此功能可忽略此条