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5.硬件工程师笔试面试必考题】BUCK电源工作原理及电源纹波分析 - 知乎
(来源:电子硬件攻城狮: - 知乎）
0.前言
1.DC-DC之BUCK电源
1.1 BUCK电源关键器件及其功能
1.2 BUCK电源工作原理
1.3 DC-DC的PCB布线设计布局注意事项
1.4 DC-DC与LDO的优缺点及选型
1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁更大？根本原因是什么？
2.电源纹波的根本原因
3.电源纹波的测试方法
4.电源纹波的常见抑制方法
5.结论和扩展
拓展1：BOOST电源
拓展2：BUCK-BOOST电源
0.前言
DC-DC电源知识是硬件工程师笔试面试的必备内容。本文详细说明DC-DC基本拓扑结构之一BUCK电源。
- BUCK电源电路的基本结构是什么？[]
- BUCK电源的原理是什么？[]
- 电源纹波的根本原因是什么？[]
- 抑制电源纹波的常用方法有哪些？[]
- 测量电源纹波的方法和注意事项是什么？[]
- DC-DC电路的PCB布局布线有哪些注意事项？[]
- DC-DC与LDO各自的优缺点和应用场合是什么？[]
DC-DC电源，即直流-直流变换器，是指将固定的直流电压换为可变直流电压，又称直流斩波器。DC-DC拓扑结构有很多种，比如BUCK（降压）、BOOST（升压）、BUCK-BOOST(升降压)三种基本拓扑结构。BUCK电源为降压电源，实现降压输出，BUCK电源电路的基本结构如下图所示：
BUCK电源电路基本结构
关键设备有开关管S、电感L、电容C、二极管D。
- 三极管是常见的开关管，可以导通和关闭电流MOSFET等。
- 它可以将电能转磁能储存，也可将磁能转化为电能再次释放。当储能和释能转换时，电感的正负极会反转。流经电感的电流不能突变，只能逐渐变大或变小。
- 当电容器两端电压高于外部电路电压时，具有充放电功能，反之亦然。电容器充放电不会产生正负极反向。
- 具有单向导电性，电流只能单向流过。BUCK二极管D在电路中形成续流电路，因此D又称续流二极管。
1.2 BUCK电源工作原理
一般通过控制开关管的导通和关断有两种方法。PWM本文所述的波控制PWM控制开关管的通断。
PWM波可以用单片机生成，也可以用PWM波特殊芯片，如UC3842。
开关管S导通电流回路
当PWM当波控开关管S导通时，图中的红色回路是开关管导通时的回路。此时，有一个下面的公式：
电流从左边的电源开始Vin正极流出，流向负极。电流继续流向二极管D的负极不能通过，继续流向电感L，电感L将电能转换为磁能储存，电流继续通过电容向前流动C，电容C充电，电流继续流过负载R，回到电源Vin负极，整个电路畅通，输出端负荷正常工作。
本周期电感为左正右负。由于流过电感L的电流不能突变，负载R的电压逐渐增加。
开关管S关闭时电流回路
当PWM当波控开关管S关闭时，图中的红色回路是开关管关闭时的回路。此时，有以下公式：
当开关管S关闭时，电源Vin不再供电，电感L存储的磁能转换为电能释放。此时，电感L的正负极反向（变为左负右正），电感L成为电路中的电源。由于电流总是从正极流向负极，图中显示的红色电路形成。此时，电感L释放的电流将逐渐从大到小。
当开关管S关断，电感L不能及时给负载R供电，此时电容C立马放电给负载R供电，电容C可以起到有效抑制电源纹波的作用。
减压公式的推导 Vout=DVin
从上面的推导可以看出，其中D为PWM波的占空比，占空比D的取值为0~1之间 ，因此，降压已经实现，这是减压的原理，可以通过改变PWM波的占空比D控制降压的大小占空比50%，则，也就是说，输出比输入小一半，半。
- DC-DC电源管脚应大面积铺铜皮，电源较少
- 输入输出主回路按载流原理处理(注意铺铜的通流能力和过孔量)
- 反馈线不能绕着电感L走
- 尽量不要在开关电源芯片及其电感下布置其他信号线
- 尽可能短的二极管续流回路
- DC-DC芯片的散热焊盘需要通过矩阵孔进行进一步的散热处理
- 布局要紧凑，输入输出主干道采用一字形获取L布局模式
- 合理放置关键滤波电容器，采用先大后小的布局原则
- 输出电源应从输出电容中取电
- 对于多路输出的开关电源，尽量垂直分布相邻电感(麦克斯韦定律磁场垂直可抵消干扰)
- DC-DC优点：效率高，输入电压范围宽，驱动力强。
- DC-DC缺点：负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。
- LDO优点：负载响应快，稳定性好，输出纹波小。
- LDO缺点：效率低，输入输出电压差不能太大，驱动能力小，负载不能太大。
在实际使用中，设备选型应综合考虑上述优缺点。
1.5 同等条件下DC-DC和LDO谁的体积更大？根本原因是什么？
同等条件下，LDO的体积更大。由于LDO的转换率更低，耗散功率更大，所以发热量更大，因此在设计时会考虑散热问题，所以其体积在其他条件相同时会相对DC-DC要大一些。
随着开关管S的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与开关管S开关频率同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个，它与输出电容的容量和ESR有关系，纹波频率一般为几十到几百kHz。
简单来说，一般所认为的纹波产生的就是由于开关管S的通断过程导致电源产生波动，其频率等于开关管S的开关频率。
- 一般选定X1档；
- 电源纹波是交流信号，因此设置AC耦合方式；
- 一般设置为20MHz，滤除电源的高频噪声成分，测量得到的纹波更加精准。
- 需要就近接地，这样纹波测量才会更加精准，并且需要把接地夹换成接地环。
- 适当调整水平时基、垂直档位、和垂直偏移，让纹波合适的显示在示波器的中间位置。
- 可以使用示波器的Measure功能自动测量纹波峰峰值和频率。也可使用垂直光标手动测量纹波峰峰值和频率。
- 开关频率越高，纹波越小。
- 根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。
- LC滤波器对纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成LC滤波电路，一般能够很好的减小纹波。
电源纹波的抑制方法很多，但每种方法都有它自身的优缺点，所以在设计时需要综合考量。
5.结语及拓展
特别是应届毕业生求职时，硬件岗大概率（99%）会考核DC-DC相关知识，本期给大家分享的只是DC-DC三大基本拓扑结构中的BUCK（降压）电源，关于BUCK电源，应届毕业生求职掌握本文内容就足够了。
此外DC-DC还有BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构。
本文暂且先把BOOST电源（升压）和BUCK-BOOST电源（升降压）两大拓扑结构的基本电路及原理公式给大家放在下方，供大家举一反三，学以致用。
拓展1：BOOST电源
BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：
BOOST电源电路基本结构
BOOST（升压）原理公式
拓展2：BUCK-BOOST电源
BUCK-BOOST电源电路基本结构和原理公式如下：
BUCK-BOOST（升降压）电源电路基本结构
BUCK-BOOST（升降压）原理公式