??開關電源在今天的電子產品中幾乎是必不可少的部分。其優點就是轉換效率高、發熱少，針對每一種應用可以有多種選擇。開關穩壓是通過脈寬調制（PWM）的方式解決熱熱擴散和效率的問題。在設計開關電源電路的時候需要考慮的因素有很多，價格不應該是唯一的因素。全面地了解到這些因素可以幫助你選擇性價比最合適的元器件，在這里我們按照重要性列出了設計開關電源的時候關鍵的7步：
 
??1.輸出負載的需求：

??開關DC-DC的輸出端需要實現的電壓和常規電流顯然是設計中非常重要的因素。元器件數據手冊只是給出了部分的信息，你需要計算系統需要開關電源提供的最大輸出功率，以保證你選用的器件能夠提供安全的運行并有一定的余量。


??同一個型號的器件經常會有不同的封裝，每種封裝的熱性能是不同的，輸出的能力也就不一樣。不同的封裝有不同的熱阻，有的封裝在處理熱擴散方面比較有優勢。選擇封裝的時候需要考慮產品空間的要求，同時也要考慮到可制造性、總體的氣流以及電路板的布局。一般有限的空間或封裝需要非常緊湊的設計，需要對在不影響產品其它部分的情況下如何散熱進行認真的評估，即熱量要被正確釋放，才不會影響產品的其它部分，因為由于熱量導致的溫度梯度會帶給超低噪聲電路、高性能系統、光學電路一系列的性能問題。

??比如-凌力爾特公司（現ADI）的LT1170，一個型號有幾種不同的封裝，從最通用的TO-220到DIP-8、8-SOIC、16-SOIC以及D2PAK-5表面貼裝版本，SOIC-16提供最差的熱性能。因此，選用LT1170時，這個器件能夠提供的功率（與任何開關電源元器件一樣）將取決于所選的封裝、電路的配置、外圍的元器件、電路板的布局以及散熱的設計等等。

??如果你選中了一個開關穩壓器件，最好先弄一個該器件的評估板，事先評估一下其在特定應用時的性能。開關頻率可能是一個問題，將這個器件同系統中的其它部分一同工作起來，這樣就能夠測出來是否需要額外的過濾、散熱器，或其它器件。

??2.輸入端的考慮

??一些系統的供電電源的電壓是確定的，但在其它情況下，電源輸入級必須考慮到各種可能，例如不同的電池電壓或波動的電源。這在汽車應用中尤其要注意-電源元器件可能必須承受冷啟動和負載突降。

??某些電源（如電池）可能會隨著時間的推移而惡化。你的開關電源電路應能夠應付這種惡化，以在各種系統條件下提供穩定的輸出。因此在設計電源時了解輸入范圍和工作條件非常重要。

??例如，隔離是一個很好的特性，但并不總是必要的。如果它是在前一階段集成的，那么在同一系統中可能會有一個隔離的AC-DC轉換器，因此在該電路中實現了隔離。或者，系統可以是基于電池的，并且不需要隔離。

??隔離式開關電源是非常復雜和昂貴的，可以根據必要性進行選用。請注意，沒有隔離的交流線電壓可能會引發安全和監管問題。即使在直流供電系統的情況下，接地回路也會給設計帶來巨大的麻煩，隔離是解決未知問題的好方法。

??3.處理好發熱和散熱的問題

??通常，標稱的輸出功率是在最佳溫度條件下、提供給元器件最佳散熱器的情況下獲得的。但實際情況是，在目標應用中負載所需的功率下，溫度可能會高于室溫。如果您的產品進行了某些包裝，那么空氣的流動將受到限制。你需要根據需要制定適當的熱策略和可能的散熱。

??如果要使用外部散熱器，最好是跟結構設計團隊來一起評估熱量的流動。當然也可以用其它的方式幫助散熱，例如直接在外殼或其他結構支撐中。一些散熱器需要額外的工作，例如熱化合物，絕緣體或螺釘支撐，而一些散熱器設計的方便自動安裝。可能的替代方案是使用該印刷電路板（PCB）來釋放熱量。

??圖1 16PSOP封裝下方的熱墊有助于將熱量釋放到PCB

??接下來，選用器件正確的封裝。飛兆半導體ML6554降壓穩壓器采用16PSOP封裝，可能被誤認為是SOIC-16，但它下面有一個導熱墊，用于元件釋放熱量到PCB（圖1）。這就是元器件如何來處理散熱的，如果未放置導熱墊，元器件將因熱問題而過早的關閉。另外請注意，基于層上的銅盎司（0.5,1,2等），平面的散熱能力會有所不同，較薄的層需要更寬的面積才能達到相同的冷卻效果。

??還應考慮元器件的工作溫度范圍。比如電解電容在低溫范圍內受到限制，并且在極端溫度下電容會發生顯著變化。

??4.確保使用的元器件的質量

??元件的質量在開關穩壓器性能中起著重要作用。除了元器件的值之外，其他參數必須是正確的。例如，相同電感值的電感器可能具有不同的飽和度。電感飽和是指器件的磁特性受到超過其能力的應力，并且器件不像所需的電感器那樣工作。

??電容器的電容值也隨溫度和頻率而變化，因此正確的類型和質量才能實現正確的工作。即使來自同一制造商的類似電容器也可能具有不同的特征和價格。United Chemi-Con公司擁有各種電解電容器，有些是KMG系列的通用型的；其他如MZA系列是低阻抗；MVH系列能夠提供更高的紋波電流。其他供應商提供類似的品種，因此，只關注電容值和類型是不夠的。

??源阻抗非常重要。開關穩壓器輸入端的一些電感可以阻止開關電源產生的電流尖峰耦合到源極。但在某些情況下，它可能會在輸入電壓上產生一些振鈴和尖峰。每個DC-DC轉換器芯片都設計用于特定的元器件組合，具有從最小到最大的可接受值范圍，因此必須仔細檢查數據手冊中的表格以確定任何潛在的限制。最好是通過xls表格進行所有的計算，計算的時候所有元器件的值都有一個從最小值到最大值的范圍。

??另一方面，選擇不合適的元器件會危及產品的認證。開關電源往往有很多噪聲，到一定程度可能會引起電磁干擾（EMI）。使用屏蔽的電感和高質量電容器可以最大限度地減少系統中的噪聲。電容器的等效串聯電阻（ESR）在電路穩定性和性能方面發揮著重要作用。某些配置可能需要特定的ESR，因此您并不總是需要低ESR。

??尤其要注意輸入和輸出電容。

??輸入電容可降低轉換器輸入端的紋波電壓幅度，從而將RMS紋波電流降至大容量電容可處理的水平。陶瓷電容具有降低紋波電壓幅度所需的極低ESR。因此，將它們靠近開關轉換器輸入是很重要的。當轉換器切換時，它必須從輸入源汲取電流脈沖。額外的電解電容或鉭電容有助于為負載提供足夠的能量。

??輸出電容能夠濾波并最大限度地降低輸出端的紋波。它是電容器ESR的功能，同時也會影響穩壓器環路的穩定性。優質電容器具有指定的ESR，通用的電解電容器僅指定120Hz時的ESR，但高頻電容器在20 kHz至100 kHz的較高頻率范圍內其ESR都能夠得到保證。如果工作溫度降低，ESR將會增加，輸出紋波電壓將相應增加。在-40°C時，典型鋁電解電容的ESR可能會增加40倍，因此要在低溫應用中充分評估電解電容的使用。

??還應考慮輸出電容可以處理的紋波電流。由于功率損耗，該電流會增加電容器內部的溫度，因此忽略驗證電容器的紋波電流可能會產生煙火后果。并聯的電容器可用于滿足ESR以及RMS電流處理的要求。

??某些電源可能需要元器件認證。你要確保哪些部件需要測試以及如何測試，以便您的設計同你的目標標準能夠做到一致。如果光耦合器用于隔離轉換器，其設計應考慮隨時間的光衰減，溫度限制和共模的可能性。

??5.做最壞的打算

??運行仿真以驗證設計能否在所需時間內處理輸出電壓下的輸出電流是非常有必要的（圖2）。重要的是要了解元器件隨頻率、負載和溫度的變化是如何變化的。由于某些開關穩壓器的動態特性，它們的最差條件可能不是極端負載，而是介于兩者之間。通過運行你的目標電路來測試你的電源在所有可能的變化情況下的狀態非常重要。

??圖3通過對最壞情況的仿真能夠深入了解哪些元器件可能會對設計產生比較大的影響，并能夠發現其它問題。

??在做任何實際的電路之前，要對整個工作溫度范圍內的正常工作狀態進行仿真。使用Spice進行仿真可以運行蒙特卡羅分析或最壞情況分析，以確定在不同元器件容限變化下的性能（圖3），它還可用于改變負載條件。凌力爾特公司的LTSpice是用起來非常棒的免費仿真工具。其它供應商也提供了各種工具來簡化仿真、器件選型以及元器件評估。

??圖4用于仿真TI的開關電源器件的WEBENCH工具

??設計人員還可以使用德州儀器的WEBENCH工具來選擇和調整DC-DC元器件和配置（圖4）。用戶可以輸入所有設計要求，如電壓輸入范圍、電壓輸出、電流輸出和溫度，軟件將選擇所有元器件并顯示電路的配置。在大多數情況下，它會提供一系列選項，如封裝、元器件的數量和成本。

??對于每種設計，軟件將顯示熱分析和效率圖。用戶可以運行多個溫度場景，WEBENCH軟件當前還無法同時運行。例如，對于Vin_min=8 V，Vin_max=48 V，Vout=5 V和Iout=7.5 A，LM5116在不同的工作溫度下顯示不同的數據（見表）。
??所以，不要把第一個結果視為理所當然！并且，檢查從最低溫度到高溫的所有電路狀況。在確定配置之前，請確保它是最適合目標應用程序和環境的配置。WEBENCH總是以30°C的溫度開始。并且，WEBENCH未涵蓋所有TI開關穩壓器，因此請查看TI網站上的元器件選擇并進行單獨驗證。

??許多其它供應商提供多種開關穩壓器-超高效率、極低泄漏、更寬輸入范圍、低噪聲、多輸出等等，有的型號是組合了線性穩壓功能的開關穩壓器。然后，審慎地審查所有潛在選項的適用性、成本和性能。

??與任何元器件一樣，開關功率器件在其溫度范圍內具有降額因數。要使用較差的條件來估算你的設備所需的功率輸出。在一定頻率范圍內的功率元件的特性參數也能看出EMI的性能。

??在最壞的情況下運行您的仿真并驗證元器件的容限，以確保它們在溫度和容限范圍內隨著負載在一定范圍內變化依然能夠獲得良好的性能。使用不同元器件進行仿真可能會提供廣泛的替代方案，為成本決策提供更好的視角，并為驗證元器件大小調整提供機會。

??6.合理利用PCB的區域、布局和封裝

??一些器件可看成是PCB的散熱器，這些器件占用的區域在散熱方面起到一定的作用。另外，還要考慮銅層的厚度以及是否應該有任何額外的熱過孔和分布。如果您正在使用它們，請確保您的制造廠能夠在其生產線上處理散熱孔。有些庫中沒有能夠支持更大電流的封裝，這就可能需要在PCB布局中添加額外的銅定義。

??

??使用短而寬的PCB走線來降低壓降并最大限度地降低電感。高頻開關使得良好的元件布局勢在必行。首先放置開關元件并靠近儲能元件。最大限度地減少輸入和輸出回路，以減少輻射和高頻共振問題。該策略將最小化PCB上的電流回路，這是電磁輻射的主要元兇。此外，在進行元器件布局的時候一定要參考該器件的評估板和參考設計。可靠的地平面和鋪地將有助于散熱并增強功率傳遞。

??7.性能測試

??按照器件的設計指南以及元器件的選擇公式，可以在一定程度上驗證設計。電路仿真可能會在邊界條件下的操作方面回答一些其它問題。但是，最重要的還是最終性能的測試。只有在您的目標應用的真實電路板上才能進行最終的電源和EMI驗證。

??聯邦通信委員會要求在美國進行測試。由于所有開關電源都會發出一定程度的EMI，因此它們可能成為失敗的罪魁禍首。仔細放置元件、布局、產品集成和包裝可能會減少總體排放，但需要在最終產品中進行驗證。

??一些新的開關穩壓器允許改變開關頻率，這應該在EMI違規的情況下進行探討。一些DC-DC穩壓器提供抖動，可以在運行中不斷改變開關頻率。因此，能量在更寬的范圍內擴散，并且在每個單獨頻率處產生的發射能量的幅度更低。

??某些情況可能需要在開關元件上增加一個緩沖器，以降低噪聲，但需要額外的功率。最后，應進行全溫度范圍測試和現場操作，以確認開關電源和與產品相關的其余電子設備的合適的性能。