01

Buck電路電感選型方法

開關(guān)電源從儲(chǔ)能器件類型可以分為電感型的和電容型的。針對(duì)電感型的無論是Buck還是Boost，無論是升壓降壓或其他類型，電感在整個(gè)電路里起著非常重要的的作用。主要作用為儲(chǔ)能并傳遞能量，儲(chǔ)能的同時(shí)會(huì)對(duì)波形進(jìn)行整形。

如下圖示:降壓轉(zhuǎn)換器由DC輸入電源Vin、導(dǎo)通開關(guān)S、續(xù)流D二極管（單向?qū)ǎ?chǔ)能元件L、輸出電容C及負(fù)載R組成。

電感有儲(chǔ)能并濾除交流成分的效果，儲(chǔ)能和濾波的效果是否能滿足要求，怎么去選取這個(gè)電感？電感有不同類型，構(gòu)造，材料，參數(shù)（它的飽和電流，額定電流等），如何考慮和選?。肯旅嬷饕獊碛懻撾姼械囊粋€(gè)選取。

我們知道Buck電路有開關(guān)和閉合兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)分別持續(xù)Ton，和斷開Toff。

在Ton這段時(shí)間里就是閉合的，電流的變化量就是最大電流減去最小電流。

電流增量:

△I=Imax-Imin=(Vin-Vo)*Ton/L

斷開之后，電感上面仍然有電流，只是電流在減小，減小的這個(gè)量就是最小電流減最大電流。

電流減量:

△I=Imin-Imax=-Vo/L*Toff

無論是增量還是減量，統(tǒng)稱為電感電流的變化量△IL:

△IL=｜Imin-Imax|=(Vin-Vo)*Ton/L=-Vo/L*Toff

而已知Buck電路的Vo=(Vo/T)*Vin，得:

Ton=(Vo/Vin)T=Vo/(Vinfswitch)

任意代入△IL=Ton*(Vin-Vo)/L，可得，流經(jīng)電感的紋波電流（峰峰值交流成分）Iripple:

Iripple=(Vin-Vo)/L * Vo/(Vin*fswitch)

Iripple為峰峰值電流:

Iripple=Vo*（Vin-Vo）/LVinfswitch

=Ipeak(max)-Ipeak(min)

出達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，在某一開關(guān)周期內(nèi)（電流對(duì)時(shí)間積分，左邊綠色區(qū)域就是開關(guān)閉合時(shí)流經(jīng)電感的電荷，右邊紫色區(qū)域就是開關(guān)斷開時(shí)流經(jīng)電感的電荷）:

得流經(jīng)電感電流的有效值（均方根）:

IRMS=[Ipeak(max)+Ipeak(min)]/2

當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，流經(jīng)電感的電流就等于輸出電容和負(fù)載的電流:

IL=IC+Io

當(dāng)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí):IRMS=Io(達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，流經(jīng)負(fù)載R的電流就是電感電流的直流成分)

因此:

Io負(fù)載電流通常指的是最大輸出電流。

交流部分就是他的紋波電流，紋波電流最后通過輸出電容給它濾波。

為了使Buck工作是CCM模式，則需滿足，流經(jīng)電感的電流始終大于0（正向流通）:

電感電流過小，帶負(fù)載能力比較弱，屬于輕載模式。如果電流為零，可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)甚至震蕩的情況，所以當(dāng)有負(fù)載的時(shí)候，希望他維持在CCM這樣的狀態(tài)（持續(xù)電流模式）。要維持CCM電流，就是流經(jīng)電感的電流要為正或要一直有電流，這個(gè)電流無論多大一直要有，不能停不能為零。

將紋波電流帶入到小于兩倍的輸出電流之后，可得維持CCM電感的必要條件:

只要電感大于這個(gè)值，就以為著電感工作時(shí)始終有電流，就是維持了CCM的模式，這其實(shí)為我們選取電感提供了一個(gè)基本的指向。

那是不是只要大于維持CCM這個(gè)值，輸出結(jié)果、性能、紋波就好了，其實(shí)不是。

讓電感值處于維持CCM電感的必要條件時(shí)，它的電路性能是什么樣子的？

僅維持CCM的最小電流即:

很顯然，僅維持CCM電流，紋波太大，不符合我們的要求。

因此電感值要進(jìn)一步加大，加大到多少？

設(shè)計(jì)一個(gè)Buck電路，這些參數(shù)都是我們預(yù)先需要考慮的。（后端負(fù)載對(duì)紋波的要求，設(shè)定一個(gè)什么樣的開關(guān)頻率，DCDC器件滿足什么樣的開關(guān)頻率，是否可調(diào)）最后我們會(huì)得到電感感值L最小取值:

其中輸入電壓，輸出電壓，輸出電流，開關(guān)頻率，紋波率均為已知量。

通過前式:

可以看到，電感越大，紋波越小，同時(shí)大感值電感會(huì)帶來較大的封裝尺寸;

開關(guān)頻率越高，紋波越小，同時(shí)提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致EMI惡化。

無論是電感還是電容，它都有溫度曲線或者材質(zhì)的差異，有效值會(huì)出現(xiàn)衰減，所以在選取時(shí)，在L的基礎(chǔ)上適當(dāng)大一點(diǎn)。

可以在simulink中仿真，通過改變電感值或開關(guān)頻率觀察紋波電流的變化。

額定電流：電感的額定電流要大于流經(jīng)電感電流的有效值Irms（考慮器件溫升），即最大輸出電流。

DCR：同時(shí)考慮能量損失及發(fā)熱，也希望選取DCR(ESR)更小的電感，可能需要在尺寸和DCR之間平衡。（電感的理想模型是只有一個(gè)感值，那實(shí)際在生產(chǎn)過程中，封裝過程中，它很多材料還有一些寄生參數(shù)，會(huì)有等效串聯(lián)電阻。）

02

Buck電路電容值選取

電感在電路中起著儲(chǔ)能的作用，電容它起著濾除交流成分的作用，電容是如何濾除交流成分的？

我們知道電容最基本的一個(gè)特性就是隔斷直流通過交流。

交流成分流向電容，直流成分流向負(fù)載，當(dāng)然還會(huì)存在一部分交流也流向負(fù)載，這是我們不希望看到的，因?yàn)槲覀兿Ｍ幸粋€(gè)穩(wěn)定恒定的輸出。

電容它最本質(zhì)的一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造就是兩片導(dǎo)體中間充斥著某種電介質(zhì)，這時(shí)它有了一定的電容值。當(dāng)電容兩個(gè)金屬片上有電荷的時(shí)候，他就會(huì)有電壓，電荷傳遞的時(shí)候就會(huì)形成電流，所以當(dāng)外界向電容傳遞電荷的時(shí)候，有電荷的移動(dòng)就意味著有電流流向電容，同樣當(dāng)電容向外界釋放時(shí)，那就有電流流出電容。所以把電容作為一個(gè)整體來看，電流可以流進(jìn)電容，也可流出電容，就說明他可以通過交流。

輸出電容的重要性

極端情況下，DCDC電路中沒有輸出電容，會(huì)發(fā)生什么？

DCDC，我們知道直流到直流，是電壓之間的變換，功率之間的傳遞，我們希望一個(gè)穩(wěn)定的恒壓輸出，那輸出電容選什么樣的輸出電容，它的容值選取多少合適？

根據(jù)并聯(lián)電路知:

Vo=Vc

因此輸出電壓的紋波，即輸出電容上的紋波;

電容＂配合＂電感電流的變化;

從上圖也可以看到，電容它的電流一直在正負(fù)的變化，就是一會(huì)電流充電，一會(huì)電流放電，只要電容上的電荷不變化，哪怕有基礎(chǔ)電荷，電壓直流加在電容兩端，它上面有很多電荷，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，電容兩端并沒有電流（有電荷無電流）。

根據(jù)電容的特性:C=Q/V，我們知道，一個(gè)電容只要兩端有了電荷就會(huì)有電壓，電荷變化會(huì)有電壓，電壓變化會(huì)帶來電流:

i=C*dV/dt

并聯(lián)電容后，交流部分可通過;

通過前面的分析流經(jīng)電感電流分為兩部分:

IL=IRMS+IAC(交流成分)

其中:

紋波電流和紋波電壓

化簡(jiǎn)得:

可以看到，電容值越大，輸出紋波越小，同時(shí)大容值會(huì)帶來較大的封裝尺寸和成本;

開關(guān)頻率越高，輸出電壓紋波越小，同時(shí)提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致EMI惡化。

將上式繼續(xù)轉(zhuǎn)換，可得電容值C最值:

可以看到輸出電壓紋波與電感電流紋波率，輸入電壓，輸出電壓，開關(guān)頻率，電感，輸出電容等均有關(guān)系，尤其是后三因素。

為什么與電感，頻率相關(guān)？

LC低通濾波器:其中串聯(lián)的電感L能阻斷高頻噪聲，并聯(lián)連接電容C來使高頻噪聲旁通的方式發(fā)揮作用。

電感線圈對(duì)交流有限流作用，由電感的感抗公式可知，電感L越大，頻率F越高，感抗就越大。

電感線圈有通低頻，阻高頻的作用，這就是電感的濾波原理下面是LC濾波電路示例電感在電路最常見的作用就是與電容一起，組成LC濾波電路。具有＂阻直流，通交流＂的本領(lǐng)，而電感則有＂通直流，阻交流，通低頻，阻高頻＂的功能。

交流干擾信號(hào)大部分將被電感阻止吸收變成磁能和熱能，剩下的大部分被電容旁路到地。

這就可以抑制干擾信號(hào)的作用，在輸出端就獲得比較純凈的直流電流。

LC低通濾波器中元件電感和電容的頻率特性曲線;

LC低通濾波器的衰減曲線圖，可以計(jì)算帶寬，截止頻率等;

左圖電容、電感的頻率特性曲線，電容電感組成的濾波器它有一定的帶寬、截止頻率，右圖是衰減曲線圖，這個(gè)可以衡量Buck電路到后端低通濾波的效果怎么樣。

輸出電容選取

電容值與誤差：通過前面分析，較高的輸出電容值可降低輸出電壓紋波，并改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，電容值C取值:C=Iripple/8*△Vp-p*fswitch，同時(shí)需考慮器件值誤差及溫升影響，通常按降額30%選取;

電介質(zhì)：推薦使用X5R或X7R，由于Y5V和Z5U材質(zhì)的電容溫度和直流偏置特性差，避免Y5V和Z5U材質(zhì)的電容應(yīng)用在DCDC電路中。

耐壓值：額定電壓應(yīng)該大于兩端實(shí)際工作最大電壓（含紋波峰值），并留有一定余量。

ESR：ESR影響輸出電壓紋波大小，由于電容上有持續(xù)的紋波交流成分通過，因此為避免效率損失，盡量選用低ESR的電容由于X5R或X7R材質(zhì)電容的值有較寬的耐壓和溫度范圍，推薦使用X5R或X7R，滿足ESRc≤1/8Cfswitch;

03

Buck電路PCB設(shè)計(jì)與干擾原理

干擾源分析

開關(guān)電路中，開關(guān)信號(hào)上有著較高的dV/dt，有較快變化的電場(chǎng)；變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，即麥克斯韋電磁場(chǎng)理論：

變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng);

均勻變化的電場(chǎng)（磁場(chǎng)）在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)（電場(chǎng)），非均勻變化的電場(chǎng)（磁場(chǎng)）在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)（電場(chǎng)）。振蕩的電場(chǎng)（磁場(chǎng)）在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)（電場(chǎng)）;

干擾的原理分析

開關(guān)電路有著快速變化率的一個(gè)上升沿和下降沿，電壓隨著時(shí)間的變化是非?？斓?，一會(huì)為零伏，一會(huì)為五伏，這個(gè)變化的快慢稱之為頻率。一個(gè)電路上或者一個(gè)電器上，它有著比較高的dV/dt（電壓變化率），意味著有較快變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

時(shí)鐘和基準(zhǔn)源很多都是周期信號(hào)，這種周期的跳動(dòng)是一個(gè)比較大的干擾源，那如何利用好時(shí)鐘，利用好開關(guān)信號(hào)，同時(shí)又不給后端模塊造成比較大的影響？

根據(jù)安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律可以得到:

電壓的變化導(dǎo)致有電流，產(chǎn)生電流就產(chǎn)生了磁場(chǎng)，同時(shí)存在;

電流變化，有產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，即電場(chǎng);

干擾原理:

i=CM*dV/dt;

V=LM*di/dt;

CM為互容;LM為互感，整個(gè)系統(tǒng)里，不同電路不同信號(hào)之間又會(huì)有相互的依存，離得近互感互容會(huì)變大。經(jīng)典力學(xué)里面，只要任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體，它們之間必定有一定的距離，有萬有引力。這中引力是沒有辦法避免的，有一定比重的影響。

所以我們想要減小干擾，想要抑制干擾，必須從互容和互感上下功夫。那互感和互容都與那些因素有關(guān)呢？

互容相互間的容性效應(yīng)（互容:兩個(gè)電路之間的電場(chǎng)相互影響,其互相影響的系數(shù)隨距離的增加快速地減小。）

間距

電容率

耦合面積

互感相互間的容性效應(yīng)

環(huán)路面積及方向

距離

磁導(dǎo)率

互感它要看磁力線的多少，或者說磁通量，所以面積越大包圍的磁通量匝數(shù)就越多，所以它與環(huán)路面積有關(guān)系。磁力線的方向與電流的方向是異面垂直的，當(dāng)我兩個(gè)電流信號(hào)i1和i2本身就是垂直時(shí)，磁場(chǎng)方向也垂直，這時(shí)它們的耦合就很小，這也是我們?cè)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB中走線不要并行要十字交叉的原因。

磁導(dǎo)率:不同金屬有不同的磁導(dǎo)率，那我在兩個(gè)導(dǎo)體之間加入了一個(gè)導(dǎo)體，那這個(gè)導(dǎo)體會(huì)改變磁場(chǎng)的方向，如果說這個(gè)是鐵、鈷、鎳的金屬（對(duì)磁場(chǎng)的抑制會(huì)更好，磁導(dǎo)率高），他可能還會(huì)改變整個(gè)被磁化，改變整個(gè)磁場(chǎng)，所以，這個(gè)也是我們屏蔽的一個(gè)原理。

如果兩個(gè)干擾信號(hào)太大，又沒有辦法加大它們之間的距離，在中間加一個(gè)導(dǎo)體，導(dǎo)體可以隔絕電場(chǎng)，把電場(chǎng)改變，進(jìn)而阻止電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換。

在輸出和輸入之間，在不同電源之間，都希望它不要耦合，要加一個(gè)電容，電容的作用是抑制耦合。

無論是斷開還是導(dǎo)通的狀態(tài)，我們都希望它的回路面積小，這個(gè)才能達(dá)到我們整個(gè)所有狀態(tài)或者一個(gè)整體上的互容互感的減小。

問題

導(dǎo)通和斷開的環(huán)路面積（開關(guān)回路）盡量小;

信號(hào)的GND和電流的GND(功率GND)減少耦合;

更寬的走線降低走線的電阻（DC），減小寄生電容電感（AC）。

大電流走線寬度及大尺寸器件更利于散熱;

解決

電感靠近開關(guān)MOS的公共點(diǎn)放，若是集成式則靠近芯片，以減小SW信號(hào)的長(zhǎng)度，減少輻射發(fā)射;

輸入電容和輸出電容應(yīng)盡可能靠近器件放置，以減少走線阻抗;

輸入輸出電容的地應(yīng)盡可能靠近PGND腳，信號(hào)GND和功率GND并在芯片GND處單點(diǎn)連接;功率GND上有開關(guān)噪聲，盡量避免對(duì)敏感小信號(hào)造成干擾，尤其FEEDBACK管腳。（大電流GND:L,CIN,COUT,CBOOT連接到大電流GND;小電流GND:RFB1,RFB2單獨(dú)連接到信號(hào)GND）;

如果多層板，且使用過孔不可避免時(shí)，信號(hào)換層時(shí)保持足夠數(shù)量的過孔，保持與敏感模塊的距離。

實(shí)際布局1

實(shí)際布局2

當(dāng)我們把電感靠近電容遠(yuǎn)離，它的回流面積及路徑并不會(huì)改變，但是這時(shí)輸入電容遠(yuǎn)離了，輸入電容離得遠(yuǎn)就會(huì)降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這時(shí)如果沒有辦法都靠近，優(yōu)先輸入靠近芯片。