設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓器是一件非常頭疼的工作！必須要考慮到降壓、升壓、回饋、SEPIC等多種電路結(jié)構(gòu)。首先，必須依據(jù)脈寬調(diào)制（PWM）、磁滯、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、電流模式、電壓模式等來確定控制方法。一旦控制方法確定了，就必須選擇控制器集成電路。然后，就要選擇MOSFET等電源開關(guān)，計(jì)算它們的功耗，設(shè)計(jì)柵驅(qū)動(dòng)電路。還必須計(jì)算電感和電容，再根據(jù)飽和電流，rms紋波電流有效值、DCR、ESR、實(shí)際尺寸等選擇元件。然而，當(dāng)你認(rèn)為已經(jīng)完成了，回路補(bǔ)償問題又露面了！電路穩(wěn)定嗎？我怎樣確保它的穩(wěn)定性？控制器IC內(nèi)部電路的波特圖呢？我的負(fù)載對穩(wěn)定性有怎樣的影響？短路保護(hù)或電流極限又怎么樣呢？

正當(dāng)你自認(rèn)為已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)，PCB布局的設(shè)計(jì)者又詢問你對FETs、電感、回路補(bǔ)償元件、接地安排等PCB布局的要求。他告訴你選擇的電感和輸出電容太大了，超過了為電源留的空間，他想在IC控制芯片2英寸處放置FETs。那么，電流檢測電阻的開爾文連接是什么？熱設(shè)計(jì)怎么樣呢？散熱器（heatsink）在哪里？你知道過孔實(shí)際是電感嗎？

設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓器的確是一件非常頭疼的工作！更困難的是大多數(shù)嵌入式開關(guān)電源是由數(shù)字硬件工程師設(shè)計(jì)的，而不是模擬或電源工程師。
 
本文目的就是展示，Intersil的集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器如何使你更加容易地設(shè)計(jì)出一個(gè)嵌入式降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。穩(wěn)壓器芯片包含了許多很難的設(shè)計(jì)考慮，如FETs、電流檢測元件、回路補(bǔ)償、電流極限和過熱保護(hù)。通過使用固定的電感和電容值，可以避免這些選擇過程。FETs在內(nèi)部，因此它們的特性和內(nèi)部連接專為設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。高達(dá)1.5MHz的開關(guān)頻率允許使用非常小的電感和電容。最后，大多數(shù)Intersil的集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器還有評估板和推薦的PCB布局。

本文介紹簡單的測試電路來快速評估回路穩(wěn)定性，而不需要為波特圖和相位裕度測量頭疼。使用示波器測量輸出噪聲的校正技術(shù)將通過示波器照片展示出來，從而區(qū)分好的和不好的探測技術(shù)。為了盡量減小給多個(gè)電源排序的難度，本文將給出一個(gè)跟蹤普通鋸齒波（ramp）電路輸出電壓的簡單電路。

Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器的特色和優(yōu)點(diǎn)

（1）注意該電路使用簡便，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)只需要4個(gè)外部元件——一個(gè)輸出電感，一個(gè)輸出電容和兩個(gè)設(shè)置輸出電壓的電容。此外，電路還必須包含旁路電容。

（2）注意由于使用了內(nèi)部FETs，就不需要選擇FET了。內(nèi)部FETs對輸入電壓，負(fù)載電流，開關(guān)頻率等各個(gè)電路參數(shù)都進(jìn)行了優(yōu)化。因?yàn)镕ETs是內(nèi)部的，PCB板上也不需要有FETs和控制器的連線了。

（3） 所有Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品都使用同步整流來達(dá)到高效率。高效率的好處就是能延長便攜式應(yīng)用中的電池壽命，在高電流下溫度升高較小。

（4）S1使用P通道FET使得器件有100%的占空比，因此輸出電壓范圍能夠包含輸入電壓，僅有非常低的壓降。

（5）內(nèi)部回路補(bǔ)償使工程師不用再為確保閉環(huán)穩(wěn)定性而大費(fèi)腦筋。它也簡化了電感和輸出電阻的選擇，因?yàn)槠骷臄?shù)據(jù)手冊上有固定的最小值。增大感抗或容抗僅僅增加了回路穩(wěn)定性（要以瞬態(tài)響應(yīng)和實(shí)際尺寸為代價(jià)）。

（6）由于有高開關(guān)頻率和內(nèi)部回路補(bǔ)償，輸入和輸出電容可以使用小的陶瓷電容。

（7）由于采用微小的IC封裝（QFN和MSOP），高開關(guān)頻率（高達(dá)1.5MHz）也允許使用非常小的電感和陶瓷電容，而且有出色的熱性能，器件可以做到非常小的尺寸。例如，EL7532采用10引腳MSOP封裝，而所有元件都安裝在PCB板的一側(cè)，整個(gè)轉(zhuǎn)換器也僅僅占用不到0.18in2的空間。

（8）使用了改進(jìn)的熱管理封裝技術(shù)，如QFN封裝和熔融引線MSOP等，熱性能有了顯著的提高。

（9）許多Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器都具有外部頻率同步，可在單一或多路直流/直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中為用戶提供了改進(jìn)的EMI性能選項(xiàng)。
a. 外部頻率同步使用戶可以查出具有“不可思議”頻率的開關(guān)噪聲，從而避免單個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)干擾。
b. 在多路直流/直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，外部頻率同步可以消除工作在不同頻率的兩個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的拍頻。此外，外部頻率同步還能提供多相開關(guān)以減小紋波電流和噪聲。
c. ISL8010和ISL8013的同步特性可以使開關(guān)頻率增加到12MHz，允許使用更小的輸入和輸出濾波器來減小EMI。
 
Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方法

Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列提供高度集成的電源系統(tǒng)，大多數(shù)產(chǎn)品都包含內(nèi)部回路補(bǔ)償。因此，元件選擇的過程非常簡單，因?yàn)榇蠖鄶?shù)應(yīng)用使用的是固定的元件值。

（1）選擇電感

具有內(nèi)部回路補(bǔ)償?shù)脑↖SL6410,ISL6455,ISL8011,ISL65426和EL7532）選擇數(shù)據(jù)手冊中推薦的電感值。一旦計(jì)算出感抗值，就要計(jì)算電感紋波電流和峰值電流的值，以選擇正確的電感。所選電感的飽和電流額定值必須大于IL（最大值），平均電流（或RMS電流）要大于負(fù)載電流。電感廠商通常用不同的方法規(guī)定這些參數(shù)，所以必須注意閱讀和理解電感的數(shù)據(jù)手冊。
 
由于有內(nèi)部補(bǔ)償，所示的電感值應(yīng)為感抗。較低的電感值會(huì)產(chǎn)生較低的相位裕度（例如，降低的穩(wěn)定性）。也可使用較高的電感值；但是，它們將導(dǎo)致電流模式控制回路潛在的不穩(wěn)定性，有較慢的瞬時(shí)響應(yīng)和更大的尺寸。

（2）選擇輸出電容

輸出電容必須為一個(gè)低ESR的電容（建議小于50毫歐），以盡量減小輸出電壓波動(dòng)和負(fù)載級瞬變，提供合適的回路穩(wěn)定性。此外，輸出電容的rms電流額定值必須大于電感的rms電流。
 
（3）選擇輸入電容

因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器的輸入電流在0和最大負(fù)載電流之間漂移，所以輸入電容的RMS電流額定值應(yīng)為輸出負(fù)載電流的一半。數(shù)據(jù)手冊中給出了計(jì)算準(zhǔn)確rms電流額定值的公式，但是安全的考慮是選擇rms額定值為0.5*Iout的輸入電容。輸入電容的最小值應(yīng)為10μF；較高的電容值將導(dǎo)致較低的輸入電壓波動(dòng)。最好選擇陶瓷電容，因?yàn)樗鼈冇蟹浅５偷腅SR，從而有較高的rms紋波電流性能。
 
（4）通過使用邏輯電平（ISL6410、ISL65426）或外部電阻（ISL6455、ISL8010、ISL8011、EL7532、EL7536）來設(shè)置輸出電壓

ISL65426比較特殊，因?yàn)樗妮敵鲭妷嚎梢酝ㄟ^邏輯電平，也可以通過外部電阻來編程。使用外部電阻來設(shè)置輸出電壓時(shí)，使用一對反饋電阻來監(jiān)視輸出電壓，用固定的電壓基準(zhǔn)來調(diào)節(jié)輸出電壓。

（5）電壓排序和跟蹤

現(xiàn)在的許多微處理器，門陣列和其他邏輯設(shè)備都需要多路電源電壓來提供他們的核心和I/O部分的電壓。為了消除邏輯設(shè)備內(nèi)部的鎖定情況，電源電壓就需要按照特定的順序接通或斷開。給電源電壓排序要用到使能腳，Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品和Intersil電壓排序控制器，如ISL61xx產(chǎn)品系列，都具有這一功能。

然而，微處理器，門陣列和其他邏輯設(shè)備經(jīng)常也需要有電壓跟蹤能力。例如，“2.5V核心電壓與3.3V I/O電壓之間的差分電壓在任何情況下都應(yīng)小于0.7V”。通過給3.3V和2.5V的電源排序就不能滿足這種跟蹤要求，因?yàn)樗鼘⑦`反0.7V最大差分電壓的規(guī)范。

因此，以通常的波形跟蹤系統(tǒng)中所有輸出電壓往往要很謹(jǐn)慎，這樣它們在接通和斷開時(shí)可以一起跟蹤。EL7566和EL7554可以通過STN和STP腳實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤，因此這其實(shí)是一項(xiàng)很簡單的工作。

（6）PCB設(shè)計(jì)/布局考慮

在開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)中，PCB板的布局是一個(gè)有效部分，必須考慮穩(wěn)定性，低噪聲和熱管理的問題。如果讓使用自動(dòng)布局和自動(dòng)布線軟件的PCB設(shè)計(jì)者來考慮PCB板的布局，就會(huì)出現(xiàn)問題。硬件設(shè)計(jì)工程師必須考慮PCB布局的各個(gè)方面，沒有其他捷徑。

大多數(shù)的Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品都有數(shù)據(jù)手冊和評估板，會(huì)提到已經(jīng)檢驗(yàn)過的PCB布局�？赡艿脑�，多使用它們！

PCB布局從畫好的示意圖開始。示意圖象講述一個(gè)故事；而不僅僅是生成一個(gè)PCB的網(wǎng)絡(luò)圖表。示意圖要展示接地系統(tǒng)，開爾文連接，恰當(dāng)?shù)脑季�，還要展示直流/直流轉(zhuǎn)換器電路的所有局部元件。關(guān)鍵的旁路電容不能在控制芯片的10頁以后再做說明！

首先，必須建立兩個(gè)接地系統(tǒng)。電源接地（PGND）應(yīng)該連接所有的高頻和大電流通路。PGND應(yīng)為一個(gè)接地平面或敷銅區(qū)域。信號接地（SGND）應(yīng)該接至所有的低電流信號的連接。SGND連接不需要接地平面或敷銅區(qū)域。PGND和SGND只有在一個(gè)點(diǎn)處必須接在一起，通常是控制器芯片的PGND腳。一般使用一個(gè)0歐姆的電阻來創(chuàng)造單獨(dú)的SGND網(wǎng)絡(luò)，將PGND連接到一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)。

其次，所有的電源元件（控制芯片，電感，輸出電容和輸入電容）都應(yīng)該放在PCB板的一邊，以避免使用通孔進(jìn)行內(nèi)部連接，產(chǎn)生阻抗和感抗。直流/直流轉(zhuǎn)換過程發(fā)生后，輸入電壓，輸出電壓和地線可以通過多個(gè)通孔布置在內(nèi)層。這樣的話，可以避免高頻開關(guān)電流流過通孔。

第三，輸入電容，PGND腳和輸出電容的接地邊應(yīng)該盡可能靠近，以避免不連續(xù)的電流產(chǎn)生開關(guān)噪聲。

第四，所有的“靈敏”節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能短。關(guān)鍵部件應(yīng)盡可能靠近控制芯片，其中包括反饋電阻，去耦電容和回路補(bǔ)償元件。幸而，使用高度集成的控制器使外部元件的數(shù)量減到了最小。

第五，必須注意PCB是熱管理系統(tǒng)（heatsink）,控制芯片的周圍必須敷有適量的銅來散熱。
 
（7）正確的示波器探頭接地技術(shù)

設(shè)計(jì)和評估過程最重要的是能夠正確地測量出輸出噪聲和負(fù)載瞬變響應(yīng)。這些很難測量，因?yàn)樵诟吖材ｋ妷�，高頻開關(guān)電流和大的電磁場面前，它們是低電平信號。僅僅用示波器探頭夾住測量點(diǎn)，使用4”接地引線不能滿足要求。

為了測量輸出電壓紋波和噪聲，一定不能使用探頭的接地引線；而是將探頭的接地環(huán)（ground collar）直接接在輸出接地測量點(diǎn)上�？赡苄枰烟筋^拆開才能連接接地環(huán)。探頭的線夾也不能直接連在測量點(diǎn)上；而必須將探頭的尖端直接連在測量點(diǎn)上。通常，探頭會(huì)有一些附件，可以讓這種直接測量更簡單。

（8）用負(fù)載階躍測試評估回路補(bǔ)償

盡管大多數(shù)Intersil集成FET直流/直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品都有內(nèi)部回路補(bǔ)償，但還是要根據(jù)實(shí)際的輸入電路，PCB布局和負(fù)載來評估整個(gè)回路的穩(wěn)定性。檢查回路穩(wěn)定性的經(jīng)典方法就是測量系統(tǒng)傳遞函數(shù)，斷開反饋回路，在網(wǎng)絡(luò)中插入一個(gè)測試信號，測量整個(gè)傳遞系統(tǒng)的增益和相位。用波特圖顯示相位和增益特性并測量相位裕度。這個(gè)過程可以通過利用計(jì)算機(jī)化的網(wǎng)絡(luò)分析器自動(dòng)進(jìn)行，但是仍然很難達(dá)到最佳效果。所以，在設(shè)計(jì)評估過程中它常常被忽略，只有少數(shù)模擬領(lǐng)域的專家才能理解。
 
還有一個(gè)更簡單的方法就是用一個(gè)負(fù)載級（load step）刺激整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，然后測量過度振蕩（勢能不穩(wěn)定）或慢響應(yīng)（過補(bǔ)償）的瞬態(tài)響應(yīng)。這個(gè)方法是有效的，因?yàn)閺腍(s)頻域到h(t)時(shí)域的拉氏變換是一個(gè)直接的變換。因此，不一定非要計(jì)算拉氏變換來評估回路穩(wěn)定性！

最簡單的方法就是用一個(gè)電子負(fù)載來測試負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。但是如果你沒有這種設(shè)備，可以用一個(gè)簡單的電路給DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出（或任一電源）增添一個(gè)負(fù)載級（load step），并用示波器測量其產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)。最簡單的方法就是用一個(gè)電子負(fù)載來測試負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。但是如果你沒有這種設(shè)備，可以用一個(gè)簡單的電路給DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出（或任一電源）增添一個(gè)負(fù)載級（load step），并用示波器測量其產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)。

設(shè)計(jì)軟件：i-Sim

Sim PE是Intersil的i-Sim產(chǎn)品模擬工具的個(gè)人版。你可以從Intersil的網(wǎng)站上免費(fèi)下載，在使用Windows系統(tǒng)的PC上安裝和運(yùn)行。設(shè)計(jì)軟件的功能包括：
1. 一個(gè)基于應(yīng)用的Intersil電源管理產(chǎn)品選擇器具有動(dòng)態(tài)輸入范圍，可以和你的輸入和輸出要求相匹配。根據(jù)你的選擇可以生成參考原理圖。
2. 一個(gè)原理圖編輯器，可以完全自定義你的原理圖，并提供設(shè)計(jì)材料清單。可以下載具有完整注釋的任何在線原理圖。
3. 有一個(gè)常見電路部件的元件庫可供放置和修改，以滿足你的電路和相關(guān)元件的需求。你也可以用現(xiàn)有模板創(chuàng)建自己的元件庫。在寫這篇文章時(shí)，元件庫里有80多個(gè)Intersil的元件，然而這僅僅是一部分，我們正在定期添加更多的元件。
4. 一個(gè)模擬工具可以幫助進(jìn)行DC，AC和負(fù)載階躍瞬態(tài)分析。后期模擬分析可以探查布局，計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓和電流。

詳細(xì)應(yīng)用信息，請?jiān)L問http://www.intersil.com/data/an/an1209sc.pdf。