01

Buck電路電感選型方法

開關電源從儲能器件類型可以分為電感型的和電容型的。針對電感型的無論是Buck還是Boost，無論是升壓降壓或其他類型，電感在整個電路里起著非常重要的的作用。主要作用為儲能并傳遞能量，儲能的同時會對波形進行整形。

如下圖示:降壓轉換器由DC輸入電源Vin、導通開關S、續流D二極管（單向導通）、儲能元件L、輸出電容C及負載R組成。

電感有儲能并濾除交流成分的效果，儲能和濾波的效果是否能滿足要求，怎么去選取這個電感？電感有不同類型，構造，材料，參數（它的飽和電流，額定電流等），如何考慮和選取？下面主要來討論電感的一個選取。

我們知道Buck電路有開關和閉合兩種狀態，這兩種狀態分別持續Ton，和斷開Toff。

在Ton這段時間里就是閉合的，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)

出達到穩態后，在某一開關周期內（電流對時間積分，左邊綠色區域就是開關閉合時流經電感的電荷，右邊紫色區域就是開關斷開時流經電感的電荷）:

得流經電感電流的有效值（均方根）:

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

當達到穩定狀態的時候，流經電感的電流就等于輸出電容和負載的電流:

IL=IC+Io

當輸出達到穩態時:IRMS=Io(達到穩態的時候，流經負載R的電流就是電感電流的直流成分)

因此:

Io負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，流經電感的電流始終大于0（正向流通）:

電感電流過小，帶負載能力比較弱，屬于輕載模式。如果電流為零，可能會出現不連續甚至震蕩的情況，所以當有負載的時候，希望他維持在CCM這樣的狀態（持續電流模式）。要維持CCM電流，就是流經電感的電流要為正或要一直有電流，這個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:

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

那是不是只要大于維持CCM這個值，輸出結果、性能、紋波就好了，其實不是。

讓電感值處于維持CCM電感的必要條件時，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。

因此電感值要進一步加大，加大到多少？

設計一個Buck電路，這些參數都是我們預先需要考慮的。（后端負載對紋波的要求，設定一個什么樣的開關頻率，DCDC器件滿足什么樣的開關頻率，是否可調）最后我們會得到電感感值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，同時大感值電感會帶來較大的封裝尺寸;

開關頻率越高，紋波越小，同時提高開關頻率會導致EMI惡化。

無論是電感還是電容，它都有溫度曲線或者材質的差異，有效值會出現衰減，所以在選取時，在L的基礎上適當大一點。

可以在simulink中仿真，通過改變電感值或開關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：同時考慮能量損失及發熱，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感值，那實際在生產過程中，封裝過程中，它很多材料還有一些寄生參數，會有等效串聯電阻。）

02

Buck電路電容值選取

電感在電路中起著儲能的作用，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，直流成分流向負載，當然還會存在一部分交流也流向負載，這是我們不希望看到的，因為我們希望有一個穩定恒定的輸出。

電容它最本質的一個結構構造就是兩片導體中間充斥著某種電介質，這時它有了一定的電容值。當電容兩個金屬片上有電荷的時候，他就會有電壓，電荷傳遞的時候就會形成電流，所以當外界向電容傳遞電荷的時候，有電荷的移動就意味著有電流流向電容，同樣當電容向外界釋放時，那就有電流流出電容。所以把電容作為一個整體來看，電流可以流進電容，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，會發生什么？

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，我們希望一個穩定的恒壓輸出，那輸出電容選什么樣的輸出電容，它的容值選取多少合適？

根據并聯電路知:

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的變化，就是一會電流充電，一會電流放電，只要電容上的電荷不變化，哪怕有基礎電荷，電壓直流加在電容兩端，它上面有很多電荷，達到穩態的時候，電容兩端并沒有電流（有電荷無電流）。

根據電容的特性:C=Q/V，我們知道，一個電容只要兩端有了電荷就會有電壓，電荷變化會有電壓，電壓變化會帶來電流:

i=C*dV/dt

并聯電容后，交流部分可通過;

通過前面的分析流經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

化簡得:

可以看到，電容值越大，輸出紋波越小，同時大容值會帶來較大的封裝尺寸和成本;

開關頻率越高，輸出電壓紋波越小，同時提高開關頻率會導致EMI惡化。

將上式繼續轉換，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，開關頻率，電感，輸出電容等均有關系，尤其是后三因素。

為什么與電感，頻率相關？

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

電感線圈對交流有限流作用，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，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，并改善負載瞬態響應，電容值C取值:C=Iripple/8*△Vp-p*fswitch，同時需考慮器件值誤差及溫升影響，通常按降額30%選取;

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

耐壓值：額定電壓應該大于兩端實際工作最大電壓（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設計與干擾原理

干擾源分析

開關電路中，開關信號上有著較高的dV/dt，有較快變化的電場；變化的電場產生磁場，即麥克斯韋電磁場理論：

變化的電場在周圍空間產生磁場，變化的磁場在周圍空間產生電場;

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

干擾的原理分析

開關電路有著快速變化率的一個上升沿和下降沿，電壓隨著時間的變化是非常快的，一會為零伏，一會為五伏，這個變化的快慢稱之為頻率。一個電路上或者一個電器上，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，變化的電場會產生磁場。

時鐘和基準源很多都是周期信號，這種周期的跳動是一個比較大的干擾源，那如何利用好時鐘，利用好開關信號，同時又不給后端模塊造成比較大的影響？

根據安培定律和法拉第電磁感應定律可以得到:

電壓的變化導致有電流，產生電流就產生了磁場，同時存在;

電流變化，有產生了感應電壓，即電場;

干擾原理:

i=CM*dV/dt;

V=LM*di/dt;

CM為互容;LM為互感，整個系統里，不同電路不同信號之間又會有相互的依存，離得近互感互容會變大。經典力學里面，只要任何兩個有質量的物體，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呢？

互容相互間的容性效應（互容:兩個電路之間的電場相互影響,其互相影響的系數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

環路面積及方向

距離

磁導率

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就越多，所以它與環路面積有關系。磁力線的方向與電流的方向是異面垂直的，當我兩個電流信號i1和i2本身就是垂直時，磁場方向也垂直，這時它們的耦合就很小，這也是我們在PCB中走線不要并行要十字交叉的原因。

磁導率:不同金屬有不同的磁導率，那我在兩個導體之間加入了一個導體，那這個導體會改變磁場的方向，如果說這個是鐵、鈷、鎳的金屬（對磁場的抑制會更好，磁導率高），他可能還會改變整個被磁化，改變整個磁場，所以，這個也是我們屏蔽的一個原理。

如果兩個干擾信號太大，又沒有辦法加大它們之間的距離，在中間加一個導體，導體可以隔絕電場，把電場改變，進而阻止電場和磁場之間的轉換。

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

無論是斷開還是導通的狀態，我們都希望它的回路面積小，這個才能達到我們整個所有狀態或者一個整體上的互容互感的減小。

問題

導通和斷開的環路面積（開關回路）盡量小;

信號的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MOS的公共點放，若是集成式則靠近芯片，以減小SW信號的長度，減少輻射發射;

輸入電容和輸出電容應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盡可能靠近PGND腳，信號GND和功率GND并在芯片GND處單點連接;功率GND上有開關噪聲，盡量避免對敏感小信號造成干擾，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單獨連接到信號GND）;

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

實際布局1

實際布局2

當我們把電感靠近電容遠離，它的回流面積及路徑并不會改變，但是這時輸入電容遠離了，輸入電容離得遠就會降低動態響應。這時如果沒有辦法都靠近，優先輸入靠近芯片。