DC/DC 变换器设计中的常见错误及解决方案

大家好，欢迎大家来参加今天的直播

我是德州仪器系统应用工程师，我叫Oliver

今天我们的直播主题是DC/DC变换器

设计中的常见错误

及解决方案

我知道我们没有人喜欢犯错误

但是我们工程师与生俱来就是要在各种问题中

摸索前行

唯一能减少我们犯错误的机会就是

多了解别人犯过的错误

我们今天将介绍几个应用实例

从这些应用实例中

我们了解如何分析问题

以及解决问题

希望通过这些实例

能帮助你在试机阶段

快速解决掉一些我们常见的问题

关于今天的直播内容

如果大家有任何问题

欢迎大家在线上提问留言

我们将会在直播结束后

选择一些有代表性的问题来回答

下面我们来看一下流程

今天我们首先会快速的回顾一下我们DC/DC变换器

的一些基本工作原理

然后例举五个常见的错误

以及它们的解决方案

这里面涉及到一些变换器的性能

还有启动过程中的功能设置

控制环路的设计

PCB layout的设计问题

以及一些环路测试的技巧

最后我们会总结今天的内容

这边有一句话送个大家

大意是从别人的错误中学习

因为你不可能活到犯下所有的错误

也就是说多学习别人所犯下的错误

尽量减少自己所犯的错误

我们今天所讲的内容为了简单起见

更具有普适性

主要涉及的实例

是针对电源中最常见的

DC/DC变换器

也就是buck变换器

buck变换器是最简单也是最搞笑的一个建环变换器

在负载点电源中应用非常广泛

常见的应用比如说在主板上

5V或者12V仿3.3V、1.8V、1.2V

和CPU供电

当然它的工作是非常的简单

它主要有两根管子

一个电感和一个电容组成

它的一个工作模态主要有两个

上管导通的时候

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

右下角是它的一个工作波形

上面是开关节点的电压

下面是电感的电流

那么我们先看一下第一个问题

通过对比上面的两个指示图

大家觉得哪个器件更适合8A的输出电流呢

左边中间这个是芯片A

最高温度是59.6℃

右边的是芯片B

最高温度是82.4℃

值得注意的是，这两张图的测试条件

以及工作频率是一样的

输入电压都是12V

输出电压是1.8V

输出电流是8A

工作频率都是700KHz

如果让你选择的话

你会选在8A的输出电流条件下

你会用哪个器件呢

是partA还是partB，或者两个都可以无所谓

还是你觉得两个都不合适呢

大家可以想一想

稍后我们给出答案

其实我们之前在网上已经放了一个课前小测试

把这些问题和选项都列出来

让小伙伴们去投票

最终的结果是66.5%的人选择了partA

这应该是预料之中的

但是也有小部分人选择partB

那我们就看开开到底应该怎么选

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

通过左上角表格对比可以看到

两个器件的输入电压范围

额定电流，以及尺寸都是相同的

不难发现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

利用TI的在线工具

WebTherm可以快速仿真

评估板的热性能

帮助我们加速设计

从右下角的仿真图我们可以看到

两颗芯片的热仿真结果

与我们实际测试的温度非常接近

都是八十多摄氏度

下面我们来看第二个问题

很多时候我们经常遇到的问题是

刚做好的板子

刚拿回来，一上电，发现启动不了

当我们拿示波器看数字电压的时候

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

这个是为什么呢

为什么变换器不能正常启动

我们给出了几个可能性

第一个是输出被短路

亦或是触发了过流保护

或者说芯片的最小导通之间受限了

还是因为芯片温度太高

触发了过温保护

我们来看一下网友们的投票结果

有接近一半的人认为是触发了过流保护

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

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

我们看到，它过了一段时间

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

我们来分析一下它启动时的电感电流

从右下角这个图可以看出

电感电流是等于负载电流

加上一个队电容充电的电流

此时电容的电流是跟我们的容值还有启动时间

是相关的

可以通过这个等式看到

我们的启动时间越长

它的一个充电电流就会越小

而我们的电容量越大

它的充电电流就越大

所以我们会在电感上看到更大的冲击电流

那么通过这个等式，我们也可以很容易的

知道解决方案就是软启动的时间

或者是较少输出电容

就可以减小我们的冲击电流

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，如果我们是再一个多级电路里面

非常有必要按照一定的秩序去启动各路输出

来避免同样的问题

另外一个比较常见的问题是

大小波的问题

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

是什么呢

这里给出了几个选项

第一个是输出电容太大

或者是导通时间又受限了

还是触发了过温保护

最后一个是增益裕量不足

大家会选哪个呢

我们来看一下结果

这个问题可能比较直观

一看到开关波形不稳定

大家齐刷刷的想到的肯定是环路问题

所以都选择了增益裕量不足的选项

也有部分人认为是导通时间受限

其实这个可能是因为跟占空比比较起来有关吧

但是通常导通时间受限的表现

主要为丢波

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

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

我们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

这个时候我们可以明显看到

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

第四个问题

是我们最常见的

就是开关节点的波形有很大的尖峰

很振荡

这个是神原因引起的呢

是输入电容过大

还是缺少了洗收电路

亦或是输入电容的位置没有正确摆放

或者是开关的驱动电流太大

大家想一想

哪个原因更有可能呢

我们来看一下投票结果

绝大部分人选择缺少吸收电路

不得不说吸收电路确实能减小振荡

但是如果从源头说起

还是输入电容的摆放问题

我们从下面这几张图就可以看出来

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

它的振荡电压高达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

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

我们还需要注意的是

我们需要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，刚才所说

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

最后一个问题

不知道大家有没有发现

这个波特图上面的一些看起来好像噪声很大

毛毛躁躁的

我相信大家看到这种波特图

可能心里会很没底

到底是测试有问题，还是本来测试结果就是这样

那到底是哪里出了问题呢

这边给出了几个选项

是因为注入新濠幅值太高

还是注入新濠幅值太低

或者是我们在测量过程中

受到电路的一些噪声干扰

或者是我们在测试过程中

没有使用1:1的无源探讨来测试

哪个原因更有可能导致我们的波特图

不平滑呢

我们来看看结果

这次的投票分布比较均匀

选什么的都有

大多数人认为还是电路中噪声干扰了测量

其实正确答案应该是第一个

也就是注入新濠幅值太高

我们来看看为什么

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

右图上面所示的一个丢波现象

此时我们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

就会看到我们的波特图又变平滑了

那如何设置注入信号的大小呢

正如刚才所说

如果注入信号太大的话

可能会导致电路的工作不正常

但是注入信号太小呢

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

我们的做法通常是

首先注入一个比较小的信号

然后慢慢增大它的一个信号的幅值

直到我们在输入电压上可以观测到

或者开关节点上面可以看到一个比较规律而稳定的振荡

另外，我们也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

以上就是我们所讲的一些内容

总结一下

我们回顾了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

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

那么这个材料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

如果你想获取更多的资源和培训

请访问一下几个网站

其中WEBENCH是TI的一个在线设计工具

相信大家已经很熟悉了

可以帮助我们迅速的选择一些方案

加快设计

然后下面这边

白皮书

是关于环路设计的一些问题

大家有兴趣的话可以深入了解一下

然后我们的www.ti.com/psds

这个是我们的support的一个网站

上面有所有我们TI的是从1983年以来

所有的电源设计研讨会的资料

因此需要注册一个TI账户

就可以轻松获取，包括培训视频

白皮书以及演示文稿等资料

TI的一个

电源产品都可以在ti.com.cn/power上面找到

包括我们的一些设计资源

培训以及技术支持

然后这里特别跟大家推荐一下

电源设计基础这本书

由TI的资深工程师Robert Mammano

根据自己多年的电源设计经验

整理成书

内容包括了基本的元器件介绍

电源的基本拓扑

各种控制策略

环路的设计

eni的处理

以及如何实现高效率

等电源设计中方方面面的一个内容

我相信这本书对于我们的电源初学者

以及开发人员

是一本不可多得的好书

作者以通俗易懂的语言

深入浅出

并配以大量的图理

非常易于我们理解和吸收

如果大家感兴趣的话

可以扫描屏幕右下方的二维码

到京东和天猫上面去购买

以上就是我们今天所有的内容

大家好，欢迎大家来参加今天的直播

我是德州仪器系统应用工程师，我叫Oliver

今天我们的直播主题是DC/DC变换器

设计中的常见错误

及解决方案

我知道我们没有人喜欢犯错误

但是我们工程师与生俱来就是要在各种问题中

摸索前行

唯一能减少我们犯错误的机会就是

多了解别人犯过的错误

我们今天将介绍几个应用实例

从这些应用实例中

我们了解如何分析问题

以及解决问题

希望通过这些实例

能帮助你在试机阶段

快速解决掉一些我们常见的问题

关于今天的直播内容

如果大家有任何问题

欢迎大家在线上提问留言

我们将会在直播结束后

选择一些有代表性的问题来回答

下面我们来看一下流程

今天我们首先会快速的回顾一下我们DC/DC变换器

的一些基本工作原理

然后例举五个常见的错误

以及它们的解决方案

这里面涉及到一些变换器的性能

还有启动过程中的功能设置

控制环路的设计

PCB layout的设计问题

以及一些环路测试的技巧

最后我们会总结今天的内容

这边有一句话送个大家

大意是从别人的错误中学习

因为你不可能活到犯下所有的错误

也就是说多学习别人所犯下的错误

尽量减少自己所犯的错误

我们今天所讲的内容为了简单起见

更具有普适性

主要涉及的实例

是针对电源中最常见的

DC/DC变换器

也就是buck变换器

buck变换器是最简单也是最搞笑的一个建环变换器

在负载点电源中应用非常广泛

常见的应用比如说在主板上

5V或者12V仿3.3V、1.8V、1.2V

和CPU供电

当然它的工作是非常的简单

它主要有两根管子

一个电感和一个电容组成

它的一个工作模态主要有两个

上管导通的时候

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

右下角是它的一个工作波形

上面是开关节点的电压

下面是电感的电流

那么我们先看一下第一个问题

通过对比上面的两个指示图

大家觉得哪个器件更适合8A的输出电流呢

左边中间这个是芯片A

最高温度是59.6℃

右边的是芯片B

最高温度是82.4℃

值得注意的是，这两张图的测试条件

以及工作频率是一样的

输入电压都是12V

输出电压是1.8V

输出电流是8A

工作频率都是700KHz

如果让你选择的话

你会选在8A的输出电流条件下

你会用哪个器件呢

是partA还是partB，或者两个都可以无所谓

还是你觉得两个都不合适呢

大家可以想一想

稍后我们给出答案

其实我们之前在网上已经放了一个课前小测试

把这些问题和选项都列出来

让小伙伴们去投票

最终的结果是66.5%的人选择了partA

这应该是预料之中的

但是也有小部分人选择partB

那我们就看开开到底应该怎么选

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

通过左上角表格对比可以看到

两个器件的输入电压范围

额定电流，以及尺寸都是相同的

不难发现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

利用TI的在线工具

WebTherm可以快速仿真

评估板的热性能

帮助我们加速设计

从右下角的仿真图我们可以看到

两颗芯片的热仿真结果

与我们实际测试的温度非常接近

都是八十多摄氏度

下面我们来看第二个问题

很多时候我们经常遇到的问题是

刚做好的板子

刚拿回来，一上电，发现启动不了

当我们拿示波器看数字电压的时候

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

这个是为什么呢

为什么变换器不能正常启动

我们给出了几个可能性

第一个是输出被短路

亦或是触发了过流保护

或者说芯片的最小导通之间受限了

还是因为芯片温度太高

触发了过温保护

我们来看一下网友们的投票结果

有接近一半的人认为是触发了过流保护

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

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

我们看到，它过了一段时间

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

我们来分析一下它启动时的电感电流

从右下角这个图可以看出

电感电流是等于负载电流

加上一个队电容充电的电流

此时电容的电流是跟我们的容值还有启动时间

是相关的

可以通过这个等式看到

我们的启动时间越长

它的一个充电电流就会越小

而我们的电容量越大

它的充电电流就越大

所以我们会在电感上看到更大的冲击电流

那么通过这个等式，我们也可以很容易的

知道解决方案就是软启动的时间

或者是较少输出电容

就可以减小我们的冲击电流

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，如果我们是再一个多级电路里面

非常有必要按照一定的秩序去启动各路输出

来避免同样的问题

另外一个比较常见的问题是

大小波的问题

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

是什么呢

这里给出了几个选项

第一个是输出电容太大

或者是导通时间又受限了

还是触发了过温保护

最后一个是增益裕量不足

大家会选哪个呢

我们来看一下结果

这个问题可能比较直观

一看到开关波形不稳定

大家齐刷刷的想到的肯定是环路问题

所以都选择了增益裕量不足的选项

也有部分人认为是导通时间受限

其实这个可能是因为跟占空比比较起来有关吧

但是通常导通时间受限的表现

主要为丢波

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

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

我们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

这个时候我们可以明显看到

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

第四个问题

是我们最常见的

就是开关节点的波形有很大的尖峰

很振荡

这个是神原因引起的呢

是输入电容过大

还是缺少了洗收电路

亦或是输入电容的位置没有正确摆放

或者是开关的驱动电流太大

大家想一想

哪个原因更有可能呢

我们来看一下投票结果

绝大部分人选择缺少吸收电路

不得不说吸收电路确实能减小振荡

但是如果从源头说起

还是输入电容的摆放问题

我们从下面这几张图就可以看出来

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

它的振荡电压高达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

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

我们还需要注意的是

我们需要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，刚才所说

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

最后一个问题

不知道大家有没有发现

这个波特图上面的一些看起来好像噪声很大

毛毛躁躁的

我相信大家看到这种波特图

可能心里会很没底

到底是测试有问题，还是本来测试结果就是这样

那到底是哪里出了问题呢

这边给出了几个选项

是因为注入新濠幅值太高

还是注入新濠幅值太低

或者是我们在测量过程中

受到电路的一些噪声干扰

或者是我们在测试过程中

没有使用1:1的无源探讨来测试

哪个原因更有可能导致我们的波特图

不平滑呢

我们来看看结果

这次的投票分布比较均匀

选什么的都有

大多数人认为还是电路中噪声干扰了测量

其实正确答案应该是第一个

也就是注入新濠幅值太高

我们来看看为什么

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

右图上面所示的一个丢波现象

此时我们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

就会看到我们的波特图又变平滑了

那如何设置注入信号的大小呢

正如刚才所说

如果注入信号太大的话

可能会导致电路的工作不正常

但是注入信号太小呢

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

我们的做法通常是

首先注入一个比较小的信号

然后慢慢增大它的一个信号的幅值

直到我们在输入电压上可以观测到

或者开关节点上面可以看到一个比较规律而稳定的振荡

另外，我们也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

以上就是我们所讲的一些内容

总结一下

我们回顾了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

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

那么这个材料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

如果你想获取更多的资源和培训

请访问一下几个网站

其中WEBENCH是TI的一个在线设计工具

相信大家已经很熟悉了

可以帮助我们迅速的选择一些方案

加快设计

然后下面这边

白皮书

是关于环路设计的一些问题

大家有兴趣的话可以深入了解一下

然后我们的www.ti.com/psds

这个是我们的support的一个网站

上面有所有我们TI的是从1983年以来

所有的电源设计研讨会的资料

因此需要注册一个TI账户

就可以轻松获取，包括培训视频

白皮书以及演示文稿等资料

TI的一个

电源产品都可以在ti.com.cn/power上面找到

包括我们的一些设计资源

培训以及技术支持

然后这里特别跟大家推荐一下

电源设计基础这本书

由TI的资深工程师Robert Mammano

根据自己多年的电源设计经验

整理成书

内容包括了基本的元器件介绍

电源的基本拓扑

各种控制策略

环路的设计

eni的处理

以及如何实现高效率

等电源设计中方方面面的一个内容

我相信这本书对于我们的电源初学者

以及开发人员

是一本不可多得的好书

作者以通俗易懂的语言

深入浅出

并配以大量的图理

非常易于我们理解和吸收

如果大家感兴趣的话

可以扫描屏幕右下方的二维码

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以上就是我们今天所有的内容