先介绍几个应用实例从这些应用实例中，了解如何分析DC/DC变换器设计中的问题及解决方法，从常见的buck电路，在平时设计和调试过程中，从DCDC变换器性能，功能设置，控制环设计，板子布局和测试技巧，通过这些分析实例能了解DCDC电路中在试机阶段快速解决掉一些常见的问题。
常见的电子产品的电源系统中， DC-DC开关电路中的Buck转换电路入手分析，Buck是最基本的DC-DC电路之一。有关Buck电路一些设计的主要原则，好多人已经熟悉了。
电子产品通常是从一个交流电取电，转成400V的一个高压，再通过一个高压的降压 DC/DC，转化为DC12V中间的直流母线，终端负载可能是一个FPGA，也可能是微处理器MCU，也可能是一个Flash存储器。如图的供电系统是给一个电子产品供电，最终的负载所需要的供电电频，可能不尽一样，这时就会在中间母线12V，会在终端的负载之间一般要加buck电路，把12V转化为负载需要的电压。
图1就是一个电源系统功率传递的简图，
图1一个电源系统功率传递的简图
电源中最常见的DC/DC中的buck变换器，是最简单最高效的DCDC变换器，应用非常广泛，当然它的工作原理也非常的简单。
图2 的Buck变换器的开关状态工作简图
它主要有两个开关管、一个电感和一个电容组成，其工作模态主要有两个，
上管导通的时输入电压通过Q1，电感被输出电源和负载供电，当上管关断的时候下管导通，
电感电流通过Q2续流，此时电感电流下降。图3是buck电路的一个工作波形，图的上面是开关节点的电压，图的下面是电感的电流。
图3 buck电路的一个工作波形
问题1：变换器的性能
先看一下图4中的两个图，从图中看，哪个器件更适合8A的输出电流呢？左边这个是芯片A 最高温度是59.6℃。右边的是芯片B ，最高温度是82.4℃。
但是这两个图的芯片，是在测试条件以及工作频率是一样的条件下测试的。
Vin：12V；Vout:1.8V；工作电流：8A；工作频率：700KHz
图4，两个测试条件一样的buck芯片温升的热仿真图
问题出来了，看图中芯片的仿真温度是怎么回事？
其实从这个图中可以非常直观看出，partB的温升比partA高了20℃
那它的温升面积也更大，但奇怪的是这两个器件的额定电流都是8A
这又是为什么呢
我们来看看它们究竟有什么区别，如图5是partA和partB 参数对比
图5是partA和partB 参数对比
通过图5表格对比可以看到，两个器件的输入电压范围、额定电流，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的大了两到三倍
管子导通的时候，一个导通损耗也比较大，对于partB，它的温升接近60℃，如果环境温度是85℃的话，那么芯片将不能正常工作，所以在高温环境下partB是不能使用的。
另一方面，对于温升，我们通常需要考虑，平均电流或者说是持续电流，如果不需要长时间的工作，或者是散热条件比较良好的情况下，选择成本更低的partB ，也不失为一种明智的选择。
问题2：很多时候我们经常遇到的问题是，刚做好的板子，上电，发现启动不了。
示波器看数字电压的时，可能会看到这样的波形，数字电压上去了一点就掉下来，并且这个过程不停的重启，有时候甚至在非常轻的情况下，电感电流都会冲得非常高。
为什么呢？
为什么变换器不能正常启动
先假设几个可能：
1是输出被短路；
2是触发了过流保护；
3是芯片的最小导通之间受限了；
4是因为芯片温度太高；
5是触发了过温保护。
实际工作中，我们遇到这来问题，大部分电源工程师认为是是触发了过流保护，但也有人认为是最小导通时间受限，或者是输出电压被短路了。
图6，电感Vout和IL的测试图
其实这个是因为输出电容太大，而使得变换器在启动过程中对电容的充电电流太大，而触发了芯片内部的过流保护。
从图6，电感Vout和IL的测试图，可以看到，启动过了一段时间就会重新尝试启动，这是典型的自动重启功能在起作用。
那么如何解决这个问题，分析一下它启动时的电感电流
图7电路启动电容充电
电感电流是等于负载电流，加电容充电的电流，此时电容的电流和启动时间相关。
可以通过图7中的式子，启动时间越长，它的一个充电电流就会越小，而电容量越大，它的充电电流就越大，所以会在电感上看到更大的冲击电流。
图8启动电流测量
电路软启动的时间的确定，主要取决于采用较少输出电容，就可以减小电路的冲击电流，为了正常启动，我们必须避免冲击电流过大，触发过流保护，或者导致输出电压出现明显的下跌，其次，如果是多级电路，要按照一定的秩序去启动各路输出，来避免同样的问题。
问题3:控制环设计带来的波形问题
有时在测量波形时，会被开关波形大小波搞得一头雾水，看到如就是一个宽的，一个窄的这两个波形，那出现这种波形的原因
图8，增益裕量是5db开关波形大小波问题
是什么呢？
正确答案应该是增益裕量不足，我们从它的波特图就可以非常明显看出来，它的增益裕量只有5db ，是非常小的，可以看作是一个简单的反馈控制系统，这个很容易导致我们的环路不稳定。
通常来说，环路的增益裕量要大于10个db ，而相位裕量也要在60度以上。
图9，增益裕量调整到10db的波形和波特图
重新调整了环路参数，使其增益裕量在所有的工作条件下，都大于10db 。
这时候可明显看到，开关节点的波形就稳定下来了。
由此可见，足够的环路裕量对于系统的稳定工作，是非常有必要的。
问题4：板子布局带来的问题。
电路做好了，电压值不稳定，测量波形是开关节点的波形有很大的尖峰，也很振荡。
这个原因是什么：
我们从下面这几张图就可以看出来
图10 输入电容的位置问题
第一个是芯片附近根本没有输入电容，对应的波形就是我们刚才所看到的波形，振荡电压高达10V。第二个是我们在芯片的左边放了一个电容，但是没有很靠近芯片，结果振荡降下来的一点，但是还是比较大，然后我们又在芯片附近放了两个电容，这个时候振荡波形就降到5V了，已经有非常明显的改善，如果我们在芯片的两边都放电容，可以看到它的振荡就非常小2V左右，所以这个是跟我们芯片。两边的一个输入电容摆放的位置有关系。
图11 BUCK电路电感的续流回路对比
我们来看一下，对于buck变换器
它的主要功率回路有两个，一个是输入到输出的回路，一个是电感的续流回路，这两个回路的面积，会直接影响到我们的一些寄生参数，而减少它的环路面积，可以有效减少我们回路里面的寄生电感，同时也降低了电磁干扰。
还需要注意的是，把一些对噪声比较敏感的模拟线路，比如说Fb、comp这些引脚，原理噪声比较大的功率回路，像se或者是boot这些脚。另外加一个缓通电路或者门极电阻，来减慢它的一个开关速度，这个也是可以减小到它开关上面的一些振荡，但是这是以增加开关损耗为代价来实现的，并不是最优的办法。
问题5：测试技巧问题
DC-DC转换器可以看作是一个简单的反馈控制系统，有时在分析电路的反馈系统稳定性，而波特图是很方便的工具，而有时测出的波特图上面的一些看起来好像噪声很大，毛毛躁躁的
图12 没有优化的波特图
看到这种波特图，对自己搞的电路可能心里会很没底，到底是测试有问题，还是本来测试结果，是哪里出了问题呢？
图13 信号注入大的波特图
原因是注入交流小信号的幅值太高
为什么？我们在测量环路的波特图时，是从输出电压上面，注入一个交流的小信号，通常来说这个信号是远远小于我们的输出电压，如果注入信号太大的话，它就会影响我们电路的一个正常工作，有可能导致开关波形出现，上面所示的一个丢波现象，此时得到的波特图是没有任何意义的。
因为我们的电流已经不是在正常状态了，那我们减少注入信号的一个幅值，就会看到我们的
图14 优化后测量的波特图和Vout和开关节点SW的震荡波形
波特图又变平滑了。那如何设置注入信号的大小呢？如果注入信号太大的话，可能会导致电路的工作不正常，但是注入信号太小，又可能导致我们测量的不准确。
通常来说，我们如何去选择一个比较合适的信号，来得到准确的一个波特图，首先注入一个比较小的信号，然后慢慢增大到信号的幅值，直到在输入电压上可以观测到，看到一个比较规律而稳定的振荡。
另外，还可以在注入信号上面采用不同的频率，对应不同的幅值，来实现最佳测量的目的。
总结一下
从DC/DC变换器的一些基本工作原理，以及例举了一些常见的问题，，分析了BUCK电路常见的错误和解决办法，包括变换器的额定功率，以及它的一些热性能它对控制环路的补偿，和起机过程中得功能设置，然后PCB layout对我们一些开关波形的影响，以及一些波特图的测量技巧。
然后我们解释了这些问题发生的原因，以及如何避免这些问题的发生，可以作为在调试阶段，或者设计过程中，作为一个参考材料，帮助大家解决一些常见的问题。
作者：电子阔少， 来源：面包板社区
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