1. 什么是DC-DC

​ DC-DC 开关电路（Switching DC-DC Converter）是一种将一个直流电压转换为另一个直流电压的电路，利用开关元件（如MOSFET）高速导通/关断，通过电感、电容储能与滤波，实现高效的升压、降压或稳压转换。

与传统的线性稳压器(LDO)相比，开关电源的最大优势是：

• 效率高（可达85～95%）
• 体积小（损耗少、发热低）

1. 基本组成部分：

名称	功能说明
开关器件（MOSFET）	通过开关控制输入电压供电给电感
续流二极管	MOS关断后为负载提供续流
电感 L	储能元件，限制电流变化速度
输出电容 C	滤波输出电压，减小纹波
PWM 控制器	控制 MOS 的导通时间，占空比控制输出电压

2. 按功能分类：

类型	输出电压相对输入	特点	典型拓扑
Buck（降压型）	输出 < 输入	高效、常用	非隔离
Boost（升压型）	输出 > 输入	常用于电池升压	非隔离
Buck-Boost（升降压型）	输出可高可低	输入电压波动大时使用	非隔离、也有隔离版本

2. Buck电路

以下为典型的 降压型（Buck）DC-DC转换器电路，其核心是 XC6366B103MR + 外部PMOS（P2003E）和电感二极管构成的降压拓扑。

2.1 Buck工作原理解析

Boost 升压转换的关键点是：通过切换 MOS 管，使电感储能再释放，达到“输出电压高于输入电压”的效果。

2.1.1 导通阶段（P2003E 导通）

• XC6366 控制 EXT 引脚输出低电平；
• 经由 R1（10Ω）拉低 MOS 管栅极，形成 V_GS = V_G – V_S < 0，P2003E 导通；
• 同时肖特基 D1 被反向偏置，不导通；
• 电感 L1 储能（电流增大）;
• 电池 BAT 电压通过 Q1 → L1 → C1/C2 → Vout。

2.1.2 关断阶段（P2003E 截止）

• XC6366 控制 EXT 悬空（高阻态）；
• R2（10k）将 MOSFET 栅极拉回 BAT（源极电位），P2003E 关闭；
• 此时，电感两端电流不能突变，电路仍然在运行，产生高压推动 D1 导通；

2.2 电压的输出公式

伏秒平衡原理指的是：在一个周期内，电感两端的平均电压为 0。

“伏秒平衡”（Volt-second balance）是电感类电路中非常重要的一个概念，广泛应用于Buck、Boost、Buck-Boost 等 DC-DC 开关电源电路设计中。即：
$$
\frac{1}{T} \int_0^T V_L(t) \, dt = 0
$$

在 导通（Ton）期间：
$$
V_L = V_{in} – V_{out}, \quad \text{持续时间} = D \cdot T
$$
在 关断（Toff）期间：
$$
V_L = – V_{out}, \quad \text{持续时间} = (1 – D) \cdot T
$$
根据伏秒平衡：
$$
(V_{in} – V_{out}) \cdot D \cdot T + (-V_{out}) \cdot (1 – D) \cdot T = 0
$$
化简得：
$$
V_{out} = D \cdot V_{in}
$$

2.3 元件选型

2.3.1 基本参数定义

参数	符号	含义
Vin	输入电压
Vout	输出电压
Iout	输出电流
fsw	开关频率
D=Vout/Vin	占空比
ΔIL	电感纹波电流，建议为 Iout的 20%~40%
ΔVout	输出电压纹波，设计目标，一般为 1%~2%

---

2.3.2 电感（Inductor）

用于储能、抑制电流纹波。
$$
L = \frac{(V_{\text{in}} – V_{\text{out}}) \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta I_L}
$$
推荐选择纹波电流：
$$
\Delta I_L = (0.2 \sim 0.4) \cdot I_{\text{out}}
$$

---

2.3.3 输出电容（Cout）

用于抑制输出电压纹波。
$$
C_{\text{out}} \geq \frac{\Delta I_L}{8 \cdot f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{out}}}
$$
这只是理想计算，实际还要考虑 ESR（等效串联电阻）造成的纹波电压：
$$
\Delta V_{\text{ESR}} = \Delta I_L \cdot \text{ESR}
$$

---

2.3.4 开关管（MOSFET）

选型依据：

• 耐压

$$
V_{\text{ds}} > 1.2 \times V_{\text{in}}
$$

• 电流

$$
I_{\text{ds}} > I_{\text{out}} + \frac{\Delta I_L}{2}
$$

• Rds(on) 越小越好
• 开关速度适应频率（Qg 小）

---

2.3.5 二极管（整流管）

在非同步 Buck 中用于续流。

• 反向耐压

$$
V_{\text{rr}} > V_{\text{in}}
$$

• 电流

$$
I_f > I_{\text{out}}
$$

• 选用快恢复二极管或肖特基二极管（速度快，VF 小）

---

2.3.6 输入电容（Cin）

缓冲输入电流脉动，减小 EMI。
$$
C_{\text{in}} \geq \frac{I_{\text{out}} \cdot D \cdot (1 – D)}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{in}}}
$$

---

2.3.7 补偿网络（用于控制环路）

这个属于控制系统设计范畴（电压模式 / 电流模式控制），可选型常用 TL431 + 运放反馈网络。

---

2.3.8 示例计算

假设设计一个：

• 输入电压：12V
• 输出电压：5V
• 输出电流：2A
• 开关频率：500kHz
• 允许电感纹波：0.4A
• 电压纹波目标：50mV

1. 占空比：

$$
D = \frac{5}{12} \approx 0.417
$$

2. 电感值：

$$
L = \frac{(12 – 5) \cdot 0.417}{500000 \cdot 0.4} \approx 14.6 \mu H
$$

3. 输出电容：

$$
C_{\text{out}} \geq \frac{0.4}{8 \cdot 500000 \cdot 0.05} = 200 \mu F
$$

3. Boost电路

3.1 Boost工作原理解析

Boost 升压转换的关键点是：通过切换 MOS 管，使电感储能再释放，达到“输出电压高于输入电压”的效果。

3.1.1 导通阶段（DTS2318导通）

• XC9104 控制 EXT 引脚输出高电平，拉高 MOS 管栅极，形成 V_GS = V_G – V_S > 1，P2003E 导通；
• 同时肖特基 D1 被反向偏置，不导通；
• 电感 L1 储能（电流增大）;
• 电池 BAT 电流通过 BAT → L2 → Q1 → GND；
• Vout 由C6、C7提供。

3.1.2 关断阶段（DTS2318 截止）

• XC9104 控制 EXT 引脚输出低电平，P2003E 关闭；
• 此时，电感两端电流不能突变，电路仍然在运行，产生高压推动 D2 导通；
• 电池 BAT 电流通过 BAT → L2 → D2 → C6、C7、Vout；

3.2 电压输出公式

在 导通（Ton）期间：
$$
V_L = V_{in}, \quad \text{持续时间} = D \cdot T
$$
在 关断（Toff）期间：
$$
V_L = V_{in} – V_{out}, \quad \text{持续时间} = (1 – D) \cdot T
$$
根据伏秒平衡：
$$
V_{in} \cdot D \cdot T + (V_{in} – V_{out}) \cdot (1 – D) \cdot T = 0
$$
化简得：
$$
V_{out} = \frac {V_{in}}{1-D}
$$

3.3 元件选型

3.3.1 基本参数定义

参数	符号	含义
Vin	输入电压
Vout	输出电压
Iout	输出电流
fsw	开关频率
D	占空比，公式 D = 1 – Vin/Vout
ΔIL	电感纹波电流，建议为 Iout 的 20%~40%
ΔVout	输出电压纹波，一般为 Vout 的 1%~2%

---

3.3.2 电感（Inductor）

Boost 电感用于储能，导通期间储能，关断期间释放能量。
$$
L = \frac{V_{\text{in}} \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta I_L}
$$
推荐纹波电流选择：
$$
\Delta I_L = (0.2 \sim 0.4) \cdot I_{\text{out}}
$$

---

3.3.3 输出电容（Cout）

输出电容用于滤除纹波，Boost 输出端纹波受负载影响大。
$$
C_{\text{out}} \geq \frac{I_{\text{out}} \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{out}}}
$$
同时也要考虑 ESR 引起的纹波：
$$
\Delta V_{\text{ESR}} = \Delta I_L \cdot \text{ESR}
$$

---

3.3.4 输入电容（Cin）

Boost 电路输入电流是脉动的，因此 Cin 用于减小输入电压波动。
$$
C_{\text{in}} \geq \frac{\Delta I_L}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{in}}}
$$

---

3.3.5 开关管（MOSFET）

MOS 负责开关控制，是整个 Boost 效率的关键器件：

• 耐压选择：

$$
V_{\text{ds}} > 1.2 \times V_{\text{out}}
$$

• 电流能力：

$$
I_{\text{ds}} > I_{\text{out}} + \frac{\Delta I_L}{2}
$$

• 其他参数：
• R_ds(on) 越小越好（导通损耗小）
• Qg（栅电荷）越小越好（切换快）
• 尽量选用逻辑电平驱动 MOS（便于控制）

---

3.3.6 二极管（整流管）

Boost 拓扑中，二极管是关键续流路径，其速度和导通压降影响效率和输出品质。

• 反向耐压：

$$
V_{\text{rr}} > V_{\text{out}}
$$

• 正向电流：

$$
I_f > I_{\text{out}}
$$

• 选型建议：
• 选用肖特基二极管（低 VF、开关快）
• 注意封装温升和散热问题

---

3.3.7 补偿网络（可选）

Boost 控制系统也需要反馈环路：

• 电压模式控制或电流模式控制
• 常见形式为：误差放大器 + 电阻分压 + RC 网络
• 如果使用 TL431，可组成可调输出控制环路

---

3.3.8 示例计算

假设设计一个 Boost 电源：

• 输入电压 Vin = 3.7V
• 输出电压 Vout = 12V
• 输出电流 Iout = 0.5A
• 开关频率 fsw = 500kHz
• 电感纹波 ΔIL = 0.2A（40%）
• 电压纹波 ΔVout = 0.1V（0.8%）

计算如下：

1. 占空比：
   $$
   D = 1 – \frac{3.7}{12} \approx 0.6917
   $$
2. 电感值：
   $$
   L = \frac{3.7 \cdot 0.6917}{500000 \cdot 0.2} \approx 25.6\ \mu H
   $$
3. 输出电容：
   $$
   C_{\text{out}} \geq \frac{0.5 \cdot 0.6917}{500000 \cdot 0.1} \approx 6.9\ \mu F
   $$
   实际推荐取值：22μF~100μF，低 ESR 陶瓷电容为佳。

4. Buck-Boost电路

4.1 Buck-Boost 工作原理解析

Buck-Boost 电路的关键特性是：输出电压既可以高于也可以低于输入电压，且极性与输入相反（传统反向拓扑）。

核心器件为：电感、MOS 管、二极管和输出电容。控制方式和 Boost 类似，但输出负极接地不同。

4.1.1 导通阶段（MOS 导通）

• MOS 管导通，电流路径为：
  Vin → MOS → L → GND
• 电感 储能（电流增大）；
• 二极管 D 被 反向偏置，输出由负载电容供电；
• 负载无输入，靠 Cout 放电维持。

4.1.2 关断阶段（MOS 截止）

• MOS 管关闭，电流不能突变；
• 电感与 Vin 极性反转，推动电流流过二极管 D；
• 电感放能：
  L → Cout → 负载 → D
• 输出为负极性电压：Vout<0

---

4.2 输出电压公式

仍采用伏秒平衡分析：

在导通时间 D · T：
$$
V_L = V_{in}
$$
在关断时间 （1-D） · T：
$$
V_L = – V_{out}
$$
根据伏秒平衡：
$$
V_{in} \cdot D + (-V_{out}) \cdot (1 – D) = 0
$$
化简得：
$$
V_{out} = – \frac{D}{1 – D} \cdot V_{in}
$$

输出电压与输入成负比，极性反转，大小依赖于占空比 D。

---

4.3 元件选型

4.3.1 基本参数定义

参数	符号	含义
Vin	输入电压
Vout	输出电压（负值）
Iout	输出电流
fsw	开关频率
D	占空比，公式：D =-Vout/(Vin – Vout)
ΔIL	电感纹波电流，建议为 Iout 的 20%~40%
ΔVout	输出电压纹波

---

4.3.2 电感（Inductor）

导通时储能，关断时释放：
$$
L = \frac{V_{\text{in}} \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta I_L}
$$

---

4.3.3 输出电容（Cout）

输出电容稳定输出，减小纹波：
$$
C_{\text{out}} \geq \frac{I_{\text{out}} \cdot D}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{out}}}
$$
同样注意 ESR 引起的纹波：
$$
\Delta V_{\text{ESR}} = \Delta I_L \cdot \text{ESR}
$$

---

4.3.4 输入电容（Cin）

补偿输入电流脉动：
$$
C_{\text{in}} \geq \frac{\Delta I_L}{f_{\text{sw}} \cdot \Delta V_{\text{in}}}
$$

---

4.3.5 开关管（MOSFET）

• 耐压要求：
  $$
  V_{\text{ds}} > |V_{\text{out}}| + V_{\text{in}}
  $$
• 电流要求：
  $$
  I_{\text{ds}} > I_{\text{out}} + \frac{\Delta I_L}{2}
  $$
• 选型要点：R_ds(on) 小、Qg 小、体二极管快

---

4.3.6 二极管（整流管）

续流输出电流，导通时电流大：

• 反向耐压：
  $$
  V_{\text{rr}} > |V_{\text{out}}|
  $$
• 电流能力：
  $$
  I_f > I_{\text{out}}
  $$
• 建议使用肖特基或快恢复二极管

---

4.4 示例计算

设计一个 Buck-Boost 电源，满足以下需求：

• Vin = 5V
• Vout = -12V
• Iout = 0.5A
• fsw = 500kHz
• ΔIL = 0.2A（40%）
• ΔVout = 100mV

---

1. 占空比：

$$
D = \frac{12}{5 + 12} = \frac{12}{17} \approx 0.706
$$

2. 电感值：

$$
L = \frac{5 \cdot 0.706}{500000 \cdot 0.2} \approx 35.3 \mu H
$$

3. 输出电容：

$$
C_{\text{out}} \geq \frac{0.5 \cdot 0.706}{500000 \cdot 0.1} \approx 7.06 \mu F
$$

实际推荐值：22μF~100μF，并联陶瓷电容降低 ESR。