目 录

第一章DC-DC转换器概述............................................................................................................... 1
1.1 DC-DC转换器基础................................................................................................................. 1
1.2 DC-DC转换器特性................................................................................................................. 2
1.3 拓扑结构对比.......................................................................................................................... 3
1.4 系统中的电源要求.................................................................................................................. 4
1.5 线性稳压器.............................................................................................................................. 5
1.6 电感型开关电源...................................................................................................................... 5
1.7 电荷泵型开关电源.................................................................................................................. 6
第二章 分立元件................................................................................................................................. 8
2.1晶体管MOSFET....................................................................................................................... 8
2.2 二极管...................................................................................................................................... 9
2.3电感......................................................................................................................................... 10
2.3.1实际中电感的参数.......................................................................................................... 10
2.3.2电感的频率特性.............................................................................................................. 11
2.3.3 电感的温度特性.............................................................................................................. 12
2.3.4 屏蔽结构的电感............................................................................................................. 13
2.4 电容......................................................................................................................................... 14
2.4.1几种电容对比.................................................................................................................. 15
2.4.2电容的结构...................................................................................................................... 17
2.4.3 电容的频率特性.............................................................................................................. 17
2.4.4 电容的温度特性.............................................................................................................. 19
2.4.5电容的电压特性.............................................................................................................. 20
2.4.6 Class I和Class II电容对比............................................................................................ 21

I

第三章 线性稳压器........................................................................................................................... 22
3.1 线性稳压器的演进.................................................................................................................. 22
3.2 线性稳压器的压降.................................................................................................................. 23
3.3 线性电源的效率...................................................................................................................... 24
3.4 对地电流................................................................................................................................. 26
3.5 LDO的稳定性........................................................................................................................ 27
3.6 LDO的调整率和瞬态响应.................................................................................................... 29
3.7电源的噪声............................................................................................................................. 31
3.8 电源纹波抑制比..................................................................................................................... 34
3.9 LDO的启动............................................................................................................................ 35
3.10 LDO的关闭.......................................................................................................................... 36
3.11 LDO的应用场景选择......................................................................................................... 38
第四章 电感型稳压器....................................................................................................................... 39
4.1 电压控制降压型稳压器.......................................................................................................... 42
4.2 开关模型................................................................................................................................. 42
4.3 电感选择分析.......................................................................................................................... 45
4.4 电感选择实例解析................................................................................................................. 46
4.5 外部元器件中的电流............................................................................................................. 49
4.6 输出电容选择分析................................................................................................................. 50
4.7 暂态响应................................................................................................................................. 52
4.8 集成电流反馈的开关电源..................................................................................................... 54
4.9 电流反馈中的补偿................................................................................................................. 56
4.10电流控制VS电压控制........................................................................................................ 58
4.11确定开关电源最恶劣的情况............................................................................................... 59
4.11.1先看一下Vin和占空比D的关系................................................................................. 59

II

4.11.2分析一下Δ I随Vin变化规律...................................................................................... 60
4.11.3 分析Δ I和D的变化关系............................................................................................. 62
4.11.4电流直流分量 分析................................................................................................. 64
4.11.5 WEBENCH对ΔI和 仿真验证.............................................................................. 69
4.11.6总结Ipeak最恶劣的情况............................................................................................. 70
第五章 电荷泵型稳压器................................................................................................................... 72
5.1电荷泵基础............................................................................................................................. 72
5.2 开关电容稳压器的细调功能.................................................................................................. 74
5.3电荷泵的电压增益调节......................................................................................................... 75
5.4开关电容的优点..................................................................................................................... 78
第六章 使用WEBENCH选择合适的稳压器................................................................................... 79
6.1 WEBENCH模拟设计工具包概述......................................................................................... 79
6.2 WEBENCH电源设计工具..................................................................................................... 79
6.2.1 电源选型......................................................................................................................... 81
6.2.2单电源设计.................................................................................................................... 82
6.2.3 电源架构设计.................................................................................................................. 84
6.2.4 FPGA/处理器电源设计................................................................................................... 88
6.2.5 LED电源设计.................................................................................................................. 88
6.2.6 电源仿真.......................................................................................................................... 89
6.2.7 原理图导出...................................................................................................................... 94
6.3开关电源参数间的矛盾和联系............................................................................................. 95
6.3.1开关频率和电感.............................................................................................................. 95
6.3.2开关频率和MOS管........................................................................................................ 97
6.4 buck开关电源设计实例......................................................................................................... 99
6.4.1 芯片优化选择................................................................................................................. 99

III

6.4.2 外围元件优化选择....................................................................................................... 101
6.4.3三种优化方案对比....................................................................................................... 101
6.4.4方案的仿真分析（图表、热、稳态、缓起）............................................................. 102
6.4.5 方案原理图导出............................................................................................................ 119
6.5 boost开关电源设计实例..................................................................................................... 120
6.5.1 Boost电路电流路径分析.............................................................................................. 121
6.5.2 开关电源的波特图仿真................................................................................................ 122
6.5.3 boost开关电源效率仿真............................................................................................... 123
6.6 FPGA电源设计实例............................................................................................................ 124
6.6.1 FPGA芯片选择............................................................................................................ 125
6.6.2 供电芯片组电源树设计................................................................................................ 126
6.6.3电源树优化设计............................................................................................................ 128
6.6.4电源芯片优化选型....................................................................................................... 130
6.6.5 电源芯片外围电路优化................................................................................................ 131
6.6.6 原理图导出................................................................................................................... 132
第七章 开关电源的PCB布线........................................................................................................ 133
7.1高di/dt环路......................................................................................................................... 133
7.1.1初识高di/dt问题........................................................................................................... 133
7.1.2定位高di/dt的位置并解决.......................................................................................... 134
7.2接地技术.............................................................................................................................. 136
7.2.1 Varga接地准则............................................................................................................. 136
7.2.2 Dutra接地准则............................................................................................................. 136
7.2.3其它接地准则............................................................................................................... 137
7.3 初识叠层.............................................................................................................................. 137
7.4 元件的布局布线.................................................................................................................. 138

IV

7.4.1元件放置策略............................................................................................................... 138
7.4.2滤波电容布线............................................................................................................... 140
7.4.3 功率MOS管和去耦...................................................................................................... 141
7.4.4 大电流的走线和过孔................................................................................................... 142
7.4.5 开关节点....................................................................................................................... 144
7.4.6 控制电路布局............................................................................................................... 145
7.4.7 散热情况考虑............................................................................................................... 146
7.5 TPS40210布局布线实例分析............................................................................................. 147
7.5.1 地平面的划分................................................................................................................ 149
7.5.2滤波电容布线分析....................................................................................................... 150
7.5.3功率MOS管布线......................................................................................................... 151
7.5.4大电流和过孔............................................................................................................... 152
7.5.5 开关节点布线分析........................................................................................................ 152
7.5.6 控制电路布局布线........................................................................................................ 153
第八章TI DC-DC电源产品简介与选型指南............................................................................. 155
8.1 POL中的低压差线性稳压器.............................................................................................. 157
8.2 POL DC/DC开关稳压器..................................................................................................... 169
8.2.1电感式开关稳压器....................................................................................................... 169
8.2.2 电容式开关稳压器....................................................................................................... 178
8.3 LED驱动电路...................................................................................................................... 181

V

第一章 DC-DC 转换器概述

1.1 DC-DC 转换器基础

本节对电源的基本概念，电源的应用场合，电源类型做概述性介绍，目的是让读者对电 源有一个宏观的了解。通过本节的学习，读者可以了解到应该如何学习电源，学习中应该注 意什么地方以及有哪些工具可以帮助学习和设计电源。本教材没有大量的理论推导，但是配 有众多的图表和讲解，可以帮助读者将课堂上学习到的理论知识应用到实践中去，是一本实 用的工具书，希望读者结合本教材能有一个快乐的学习过程。

每个电子系统都需要一个供电电源，这些电源一般都是输出恒定的。稳压源提供恒定的 直流电压输出，无论输入电压还是负载电流发生变化，只要这些变化在稳压源的运行范围内， 稳压源都要保证电路有恒定的连续的电压输出。在便携式系统中，输入电压常常来自电池或 直流电压源。DC 到DC 转换器接受这些电压输入，同时产生所需的输出电压，输出电压可以 比输入高或者低。

当输出电压比输入电压低时，这类稳压器被称为BUCK 转换器（例如：TPS5430， TPS62040 等）。当输出电压比输入电压高时，称为BOOST 转换器（例如TPS61165，TPS55340 等）。反馈信号在稳压器中是必不可少的。反馈信号用于检测输出电压的状态，使得输出电 压可以保持在设计的误差范围内。稳压器通过将输出电压或者电流和内部参考源比较来控制 输出的电压。

对于线性稳压器来说，能量是连续不断的从输入传递到输出。对于开关型稳压器来说， 能量是以脉冲的形式从输入传递到输出，脉冲能量在输出端平稳释放。有两种主要的开关稳 压器：电感型和电荷泵型。

电子系统都需要电源，在典型系统中元器件只能在一个较窄的电压波动范围内（5%-10%） 工作。以电池供电系统举例，电池放电后输出电压下降，要想延长系统的工作时间，就需要

1

第一章 DC-DC 转换器概述

一个元器件能在电池的最低电压处工作。但是新电池的电压较高，又会超出这个元器件的工 作电压上限。如果设计这个元器件工作在新电池的电压处，电池放电后电压会很快达到这个 元器件的工作电压下限，系统工作时间缩短。这样就出现了矛盾的情况，要想同时满足新电 池的高电压和电池放电后的低电压，一个办法是设计一个工作电压范围大的元器件，这将是 一个昂贵的办法！另一个办法是使用稳压器。如果电池电压波动小（例如NiCd 电池），一个 低压差的线性稳压器（LDO）适用于产生低于输入的电压。如果系统输入电压波动大，这时开 关稳压器Boost 型和BUCK-Boost 型就有用武之地了。

1.2 DC-DC 转换器特性

本节对稳压器的部分特性做一个简要的介绍，旨在使初次接触电源的读者对电源有个了 解。详细特性在后续章节中介绍。每个稳压器设计时，把能够在给定输入电压范围内并且最 大负载情况下输出特定电压作为设计目标。在开始选择稳压器前了解系统的要求非常重要。 例如对于锂电池供电系统，输入的电压范围为2.8V 到4.2V，图中是锂电池放电时的电压。

外部电压确定后还要考虑电源效率，电源效率定义为输出功率（VoutIout）比输入功 率（VinIin）。下图显示了使用PWM/PFM 调制的BUCK 型开关稳压器的效率曲线，可以看到 效率和电压、电流都有关系。BUCK 型稳压器在后面的章节会有讲述。参数随时间的变化，例 如输出电压和电流随输入电压和负载变化而变化，称作传输响应。随输入变化的传输响应称 作线性调整率，随负载变化的传输响应称作负载调整率。

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理想情况下的稳压器输出电压不会变化。实际中稳压器的输出会有小的波动，甚至在输 入和负载稳定状态下也有。这个波动称为稳态输出噪声。这个波动的原因可能是因为耦合了 系统中的其它干扰源，例如地线和信号线。也可能是电源自身的元件引起的，例如开关电源， 由于它的开关工作特性，稳态情况下输出上也有波动。

1.3 拓扑结构对比

本节对比三种基本的电源拓扑结构，目的在于向读者展示拓扑结构的选择方法，TI 电源 解决方案也是遵循这些电源设计优先级。最低成本的解决方案常常是线性稳压器。但是也有 其缺点，例如电源效率不高，常常在负载较重的情况下引起局部过热。当Vin 和Vout 的电压 差越大时，线性稳压器的效率越差。对于电感型开关稳压器，电感元件占用了较大的PCB 面 积，但是这是最有效率的解决方案。电荷泵解决方案介于两者之间，比电感型开关稳压器占 用的PCB 面积小，比线性稳压器的效率高。

用一个实际的例子比较，三种电源都可以提供相同的系统电源需求，也就是说在相同的

输出能力和性能下进行比较，见下面表格

	线性电源	电感型开关电源	电荷泵开关电源
效率	20%-60%	90%-95%	75%-90%
PCB 面积	很小，外部元件两个电	最大，外部元件大电	中等，外部元件3-4 个

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第一章 DC-DC 转换器概述

	容	感，两个电容	电容
纹波	很小	中等	稍大
电磁干扰（EMI）	很小	稍大	中等
成本	最低	最高	中等

线性电源、电感型开关电源和电荷泵型开关电源配置对比：

1.4 系统中的电源要求

许多便携式电子设备中对电源的要求多种多样。例如模拟输入输出设备，像视频或者音 频放大器，有许多固定电压或者电流的要求。处理器或者射频放大器则需要动态调节电压或 者电流。再比如有些处理器需要多种电压来供电，核电压，IO 电压和内部集成模拟部分的电 压。

下图展示了一个手持式电子设备的内部电源例子，其内部用到了多种多样的稳压器。处 理器，DSP 核和IO 电压，这些电压常常比电池电压低。为了达到高效率的转换，开关型稳压 器常常为这些地方提供电源。

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