都是DC的错 DC-DC转换器如何做到抗干扰

直流转换器在电路设计当中的重要性不用我们多做介绍，它的重要功能是将电压转换为能够固定并且有效的电压，根据不同的功能，DC-DC转换器还有各种各样的分类。其重要应用领域分布在数码相机、手机登便携式产品当中。较大的使用量就使得DC-DC转换器当中一些常见问题逐渐暴露出来，本篇文章我们就来重要探讨一下DC-DC转换器当中的干扰问题，有的高手说，DC-DC转换器当中的问题很大程度都出在DC本身上，为何这么说呢?下面我们一起来看一下吧。

实际上，在一套完整的电路系统当中，电流在各种元器件和导体间流通的能量实际上是一种能量的转换。能量是做功的能力，以两种形式存在：1)势能和2)动能。势能是一种非活动状态的蓄能(如电池端子间的电压)。

动能是势能转变为活动状态时出现的能量(如电流穿过灯泡)。电子学简单来说是通过控制各种导体中的电流，将势能(电压)转变为动能(电流)的科学!欧姆‘DC定律’必须始终满足能量转换才能出现用途!因此，电路输入与输出之间的每一部分，无论是否具备AC功能，必须出色设计电路的DC结构，才能有效支持无论何种形式的能量转换。换句话说，假如电路DC设计不良，不可能实现AC性能。

线性调节器

线性调节器是所有DC-DC转换器最基础的器件。线性调节器是一种稳压器，相关于在“非线性”开关模式区域工作的开关调节器(我们将在后面讨论这种器件)，线性调节器在“线性区域”工作。线性调节器必须满足为负载供应额定电源(低噪声达到可接受水平)，同时降低输出阻抗的要求，以使电压增益不受负载阻抗值的影响。线性调节器起可变电阻的用途，调节分压网络，以保持恒定的输出电压，同时供应各种负载电流。

图1

图1所示为线性调节器原理图。图中所示为“串联”线性调节器电路，因为调节器件(晶体管Q)与负载R2串联。电路调节齐纳二极管DZ输出电压(因为晶体管基极电流是齐纳管至R1偏置电流的很小一部分)。晶体管发射极输出电压低于齐纳管电压一个二极管压降，并有足够的电流增益驱动高输出值Iout(经R2)。尽管电路具有良好的输出电压调节能力(只要Q在线性区域工作)，但仍会感应负载、电源变量(Vs)、噪声和电源纹波。其中有些问题可以采用负反馈电路感应电路输出来解决，其他时候，这个电路往往用作电压基准，支持更加先进的线性调节器设计。设计或选择线性调节器时，还必须慎重考虑电噪声、电源Vs至Vout出现的纹波，以及调节器输出中可能耦合的共模电压。

例如，选择线性调节器时，必须认真确定电路功率要求和稳压器输出特性。以国家半导体公司LM340/LM78XX系列三端正压调节器为例，这类线性调节器是业界具有基础设计要素的标准器件。一般情况下，部分器件规定了固定输入电压条件下的固定输出电压(一般Vs-Vout》2V)，以及最大固定输出负载电流Iout。

负载调节在给定输出电流范围内(Iout)含义输出电压(Vout)的变化。由于输出电压接近Vs输入电压，串联输出电压调节晶体管(Q1)近饱和状态和电压/电流增益衰降，会导致负载调节特性恶化。这种情况也适用于线路调节。线路调节是在给定输入电压(Vs)范围内改变输出电压(Vout)。同样，Vo线路调节一般以mV级含义低电平Vs，随着输入电压的变化，mV级可以放大十倍(与输出电压相比)，达到输出电压调节晶体管接近击穿点时，其增益会随之下降。线路调节还可以实现纹波抑制(Vin/?Vout比)，且应大于60dB，以防止AC波纹通过输入电源线路接入线性调节器DC输入电压。纹波抑制关于要保证精确增益和dc精度的模拟系统至关重要。对进入线性调节器的电源纹波，还可以通过新增必要的电源去耦电容，进一步滤除线性调节器输入和输出中不希望出现的纹波来加以改善(后面我们将深入讨论电源去耦问题)。

去耦示意图(Vout通过与两个电容串联的L接地)

图2

正确去耦以降低噪声的一些重要设计理念如图2所示。将一个大容量电解电容C1(一般为10μF–100μF)放在线性调节器输出端附近(2英寸以内)。这个电容用作电荷库，可即刻为负载供应电流，而不必通过调节器/电感供应电荷。小容量电容C2(一般为0.01μF–0.1μF)的位置应尽可能靠近负载，这个电容的目的是降低负载的高频噪声。所有去耦电容应连接大面积低阻抗接地层，以降低阻抗。线性调节器输出端电感器L1(通常采用小型铁氧体磁珠)限制系统内噪声并抑制外部负载高频噪声，同时防止内部出现的噪声(来自负载)传播到系统的其他部分。

去耦可以非常有效地滤除(频带限制)线性调节器的噪声功率。线性调节器噪声功率往往规定为几微伏均方根值(rms)，如LM340/78XX系列。这个噪声值可以限定在10Hz至100KHz窄带宽范围内，但必须注意，假如不采用交流去耦的话(如上所述)，实际噪声带宽会非常高。

最后，尽管线性调节器使用简便(一般为3个端子，即输入、接地和输出)，在大部分电路环境下具有出色的DC和AC特性，但在热特性方面存在极大局限性。由于线性调节器内部电路输入电压Vs高于输出电压Vout(Vs-Vout》2V)，这种压差(Vs-Vout)乘以输出电流(Iout)给出的功率值，最终成为线性调节器和系统的热耗散。必须认真考虑这种热量转换因素。在整个设计中，必须考虑正确散热和系统周围气流问题。例如，假如线性调节器最大结温为150°C(且系统中没有散热器或气流)，系统环境温度可达到125°C;假如Θja接近50°C/W，线性调节器最大功率输出应限制在0.5W以下，以保持在可接受的结温极限以内。这是为何线性调节器关于要大功率和热效率的系统存在显著缺点。下面的文章，我们将讨论解决这两个问题的开关调节器。

线性调节器仍是电子器件和系统设计的关键，无论驱动其他器件的独立电路，还是驱动其他片上电路的子单元。为保证整体系统达到最高性能，要认真设计并遵守技术规格的要求。

开关稳压器

开关稳压器是所有DC-DC转换器中最高效的一种稳压器。开关稳压器能效显著高于线性稳压器，当然，其不利的一面是开关过程中会出现很高的输出噪声。不过，开关稳压器拓扑结构广泛适用于各种应用场合，包括步升(升压)、步降(降压)和转换电压调节(升压/降压)。

开关稳压器中内置功率开关管(通常为垂直金属氧化物半导体，简称VMOS，但也可采用双极器件)。功率开关管开/关工作周期确定储存多少能量，然后为负载供电。与线性稳压器采用电阻间能效低下的压降方式调节电压不同，相对来说，开关稳压器几乎无功耗!其秘密就在于其中的功率开关管。开关管打开时，其两端为高电压，而电流为零。开关管闭合时，开关管输出高电流，而两端电压为零!由于从电感器过来的电压和电流存在90度相位差(也没有DC压降)，因此开关稳压器可以达到极高的能效水平。

图3步升开关稳压器(升压转换器)

下面，以升压转换器为例，简要介绍步升开关稳压器的功能(参见图3)。图1所示是一种简单的升压转换器，由电感、功率开关管、整流二极管和电容组成。电感的重要功能是储能并限制进入开关管的电流变化率(否则只能单独由开关电阻限制高峰值电流)。在稳定状态条件下，开关管打开，电感为电容充电，直到+Vout与+Vin相等(二极管电流为零)。开关管闭合时，由于二极管防止电容+Vout(仍然等于+Vin)对地放电，输入电压+Vin用途于电感。通过电感的电流以+Vin/L比率线性上升，di/dt(随开关管闭合时间)。而当开关管再次打开时，电感电流经整流二极管为电容充电，电压以I/C比率按dv/dt比值上升(随开关管打开时间)。

假如功率开关管工作周期(D=tclosed/(tclosed+topen))等于50%，理想条件下+Vout可以达到Vin+Vin，即两倍于施加的输入电压(因为稳定状态下，平均电感电压肯定等于零)!当然，工作周期DV会相应改变，而调整输出电压可以得到Vout=Vin/(1-D)的结果。这为用户采用升压转换器拓扑结构，在DC输入电压(+Vin)限定的条件下，以加倍DC输出电压，在给定的整体能效范围内驱动电路负载供应了极大的灵活性。

当然，虽然理想的升压转换器在功效方面具有显著优点，但也要考虑电路的实际限制性。升压转换器最大的功耗因素是整流二极管。简单的功耗计算方法为(热状态下)，正向压降乘以穿过整流二极管的电流。为最大限度提高效率，可用另一支功率开关管取代二极管。这支整流开关管可在主开关和闭合时，以先断后通的模式打开，从而防止两支开关管同时导通。采用这种配置，功效可以达到90%以上。

以NationalSemiconductor公司的LM2578A/LM3578A开关稳压器为例，这种开关稳压器采用双极型晶体管作为功率开关器件。它含有一个板载振荡器，可利用一支1Hz至100kHz以下(典型值)外接电容设置开关频率。输出电流最高可达750mA，带有限流和热关断功能。当LM2578A/LM3578A按升压转换器配置时(例如，Iout=150mA时，Vin=+5V，Vout=+15V)，器件的负载调节为14mV(30mA《Vin《8.5V)。同样，线性调节是在给定输入电压范围内(Vin)，改变输出电压(Vout)。在DC电源控制的系统中，可以相当轻松地控制线性调节。但在使用开关稳压器时，设计人员要当心，因为器件Iout电流中固有的常量变化，会造成负载调节输出电压不稳。14mV负载调节会使15V系统出现约1%的波动，而且在没有正确去耦的情况下，开关噪声(来自电路负载)会向后感应到升压转换器的Vout(我们将在后面详细说明)，这样，会使电路负载性能下降变得非常难以管理。

总之，当能效成为首要因素(如电池供电的便携式设备)，以及+Vin电源一般为DC电压，而要较高+Vout输出电压时，开关稳压器是最理想的选择。同时，在大功率情况下(高于几瓦)，开关稳压器更加经济，因为它们出现的热量小，从而消除了复杂的散热设计的成本并节省了空间。注意开关稳压器输出电压纹波，及对其所驱动的电路出现的影响，可以显著提高设计水平。

只有出色的DC-DC电路设计才能高效且完整的完成能量置换，正是因为如此，就要多学科综合知识来作为基础，所以这一步难倒了很多电源设计师。相关于各种输入信号，要想在各种电压条件下以低噪声转换直流(DC)，首先要选择正确的DC-DC转换器。DC-DC转换器有各种尺寸和类型：转换器包括线性、开关模式和磁电等不同类型。而且，升压(步升)和降压(步降)功能采用类型各异的能量转换电路。正确了解这些电路类型，可以防止使用时性能下降。后面，我们可以分析行业领导者推出的器件，如国家半导体公司最近推出的SimpleSwitcher电源模块。

所以，假如想要正确并且高效的设计电路，我们不妨先想一想在DC上会出现什么问题，这个问题是不是DC造成的，在每次设计之前都考虑一下这个问题，就会为我们设计出一款良好高效的电路奠定基础。