《DC-DC开关电源芯片电路设计》基于作者多年电源转换芯片设计的工程经验，从开关电源变换器的基本原理出发，结合工程实例，深入浅出地论述DC-DC开关电源芯片设计所需的知识体系和完整过程，内容涵盖DC-DC开关电源的典型架构、系统建模和仿真方法，系统开环传递函数推导和稳定性补偿方法，以及芯片开发设计的管理流程。

目录
第1章 DC-DC开关电源应用 1
1.1 开关电源概述 1
1.1.1 DC-DC开关电源和线性电源的区别 1
1.1.2 DC-DC开关电源的基本拓扑类型 1
1.1.3 DC-DC开关电源的调制方式 2
1.1.4 DC-DC开关电源的设计挑战 2
1.2 DC-DC开关电源设计 3
1.3 BUCK开关电源应用 4
1.3.1 BUCK开关电源工作原理 4
1.3.2 BUCK开关电源外围应用参数计算 6
1.3.3 BUCK开关电源功率器件参数计算 9
1.4 BOOST开关电源应用 11
1.4.1 BOOST开关电源工作原理 11
1.4.2 BOOST开关电源外围应用参数计算 13
1.4.3 BOOST开关电源功率器件参数计算 15
1.5 BUCK-BOOST开关电源应用 17
1.5.1 BUCK-BOOST开关电源工作原理 17
1.5.2 BUCK-BOOST开关电源外围应用参数计算 19
1.5.3 BUCK-BOOST开关电源功率器件参数计算 20
1.6 开关电源设计的功率器件参数计算实例 21
1.6.1 3A BUCK开关电源功率器件参数计算 22
1.6.2 BOOST和BUCK-BOOST开关电源功率器件参数计算 25
参考文献 26
第2章 DC-DC开关电源典型架构 27
2.1 电压模BUCK典型架构 27
2.2 电流模典型框架 30
2.2.1 峰值电流模BUCK控制架构 30
2.2.2 谷值电流模BUCK控制架构 33
2.2.3 峰值电流模BOOST控制架构 36
2.3 COT BUCK典型架构 38
2.3.1 迟滞控制的BUCK电路架构 38
2.3.2 电流模COT控制的BUCK电路架构 39
2.3.3 RB-COT控制的BUCK电路架构 42
2.3.4 V2COT控制的BUCK电路架构 44
2.3.5 ACOT控制的BUCK电路架构 47
2.4 3A BUCK电路实例 50
2.4.1 3A BUCK电路控制结构选择 50
2.4.2 3A BUCK电路保护模块及子电路参数设计 52
2.4.3 3A BUCK电路外围电路及器件参数设计 55
参考文献 57
第3章 典型DC-DC开关电源系统模型 59
3.1 电压模DC-DC系统 59
3.2 电流模DC-DC系统 63
3.2.1 峰值电流模BUCK SIMPLIS建模及仿真 63
3.2.2 谷值电流模SIMPLIS建模及仿真 66
3.2.3 峰值电流模BOOST SIMPLIS建模及仿真 69
3.3 COT控制DC-DC系统 72
3.3.1 电流模COT SIMPLIS建模及仿真 72
3.3.2 V2COT SIMPLIS建模及仿真 75
3.3.3 ACOT SIMPLIS建模及仿真 78
3.4 3A BUCK系统建模与仿真实例 81
3.4.1 子模块建模及其仿真 81
3.4.2 主模块建模及其仿真 87
3.4.3 实例总模块图 89
参考文献 91
第4章 典型DC-DC开关电源环路稳定 92
4.1 稳定性分析和补偿方法 92
4.1.1稳定性判据 92
4.1.2 相位裕度和品质因数 93
4.1.3 基于误差放大器的补偿器 94
4.2 电压模BUCK传递函数及其补偿方法 95
4.2.1 传递函数推导 96
4.2.2 伯德图仿真验证 96
4.2.3 Ⅲ型补偿器的传递函数推导 98
4.2.4 引入补偿后仿真验证 99
4.3 电流模DC-DC传递函数及其补偿方法 100
4.3.1 次谐波振荡与斜坡补偿 100
4.3.2 峰值电流模BUCK传递函数及其补偿方法 102
4.3.3 峰值电流模BOOST传递函数及其补偿方法 107
4.4 COT控制DC-DC环路稳定性 110
4.4.1 谷值COT BUCK传递函数及其补偿方法 110
4.4.2 V2C COT BUCK传递函数及其补偿方法 114
4.5 3A BUCK传递函数实例 120
4.5.1 传递函数及环路稳定性分析 120
4.5.2 斜坡补偿 122
4.5.3 补偿器设计 123
参考文献 126
第5章 开关电源芯片开发流程 127
5.1 市场调研 127
5.1.1 主要应用场景 127
5.1.2 客户分析 129
5.1.3 主要竞争产品分析 130
5.1.4 示例 133
5.2 研发评估 134
5.2.1 关键参数确定 135
5.2.2 工艺评估 137
5.2.3 成本评估 139
5.2.4 示例 141
5.3 研发过程管理 143
5.3.1 规格书定义 143
5.3.2 系统模块划分与定义 145
5.3.3 研发评审 147
5.3.4 样品验证与参数测试 149
5.3.5 产品量产评审 151
5.3.6 示例 153
参考文献 154

第1章 DC-DC开关电源应用
　　开关电源作为一种高效的电力转换设备，因其能量转换效率出色、体积小巧以及适应多种工作环境的能力，广泛应用于各类电子设备中。尤其在高效能量转换需求日益增长的背景下，开关电源成为现代电源系统中的重要组成部分。本章主要介绍降压型（BUCK）、升压型（BOOST）和升降压型（BUCK-BOOST）开关电源的工作原理，以及直流-直流（DC-DC）开关电源芯片的设计流程和要点。
　　1.1 开关电源概述
　　开关电源是一种利用开关元件（如晶体管、二极管等）通过高速切换的方式将输入电能转换成所需输出电能的电源转换器。与传统的线性电源相比，开关电源通过调节开关元件的工作状态（导通或关断）控制能量传递的时间和方式，从而实现电压或电流的升降压转换。开关电源具有高效率、低能量损耗、体积小、重量轻、适应性强等优点。DC-DC变换器是开关电源的重要组成部分，是电能转换的核心，涉及频率变换。
　　1.1.1 DC-DC开关电源和线性电源的区别
　　DC-DC开关电源利用高频开关和储能元件进行电能转换，支持升压、降压甚至反相，效率较高，但输出存在开关噪声。而线性电源通过调整元件的线性工作状态来稳压，仅能降压，效率较低，在压差大时损耗尤其显著，但输出纯净、响应快、纹波小。
　　1.1.2 DC-DC开关电源的基本拓扑类型
　　DC-DC开关电源的基本手段是利用开关控制技术，通过电感、电容储能元件和反馈控制来实现电压的变换。表1.1是根据其输入和输出电压划分的几种常见拓扑类型。
　　1.1.3 DC-DC开关电源的调制方式
　　DC-DC开关电源的调制方式主要有三种：脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）、脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）、脉冲跳周期调制（pulse skipping modulation，PSM）。
　　（1）PWM通过调节开关管的占空比来控制输出电压，其开关频率固定。PWM具有输出纹波小、电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）易控制、效率高、动态响应快等优点，但轻载时效率低。PWM适用于高精度电源和中高功率场合，如服务器、工业电源等。
　　（2）PFM通过调节开关频率来控制输出电压，其导通时间或关断时间是固定的。PFM具有轻载效率高、控制简单等优点，但输出纹波大、EMI复杂，不适合重载。PFM常用于低功耗设备，如物联网设备、便携电子产品等。
　　（3）PSM在输出电压低于阈值时触发脉冲，跳过不必要的周期。PSM具有超轻载效率*优、控制简单等优点，但其纹波极大动态效应比较大。PSM适用于待机电源、超低功耗设备等。
　　1.1.4 DC-DC开关电源的设计挑战
　　开关电源在高效电能转换的同时，也面临电磁干扰（EMI）、电流纹波、高频噪声和效率优化等关键挑战。电磁干扰主要源于开关元件切换时的高频噪声和电流波动，可通过优化印刷电路板（printed circuit board，PCB）布局（如缩短开关器件引线）、增加LC滤波器和共模扼流圈、采用金属屏蔽材料以及合理设置开关频率来抑制。电流纹波问题在负载变化时尤为显著，可通过增大输出电容、调整开关频率或采用峰值电流模控制技术来改善，同步整流技术也能有效减少二极管反向恢复引起的纹波。高频噪声则因开关动作产生，并可能通过电源线耦合传播，采用软开关技术（如零电压/零电流开关）和电磁屏蔽可显著降低其影响。此外，效率优化需综合考虑开关损耗与工作频率，采用LLC谐振变换器等先进拓扑结构可减小开关损耗，提升整体能效。
　　1.2 DC-DC开关电源设计
　　设计流程
　　DC-DC开关电源的设计是一个系统性且复杂的过程，包括需求分析、电路设计、元件参数计算、控制结构选取、转换器架构建模以及控制架构稳定性设计等多个关键环节。设计工程师必须在每个环节中进行精确的决策和计算，以确保所设计的DC-DC开关电源能够稳定且高效地工作，因此理解和掌握整个设计流程对电源设计工程师尤为重要。本节将阐述DC-DC开关电源设计的标准流程，如图1.2所示。
　　随着电力电子技术的日益发展，DC-DC开关电源不仅应用于传统的电子产品，还广泛渗透到了工业控制、电动汽车、通信设备等领域。因此，对DC-DC转换器的性能要求愈加严苛，设计的复杂性也随之提高。掌握一个系统化且高效的设计流程[2]，成为开发高性能DC-DC开关电源芯片的关键。*先，电源设计要明确设计目标，如所需的输入电压、输出电压和电流范围、效率要求等。这些参数将决定所选电源拓扑类型、功率器件以及电路设计的其他方面。例如，对于低电压高电流输出（如5V、10A），可能需要使用高效的BUCK转换器；对于高电压低电流输出，则可能选择BOOST转换器；对于高功率应用，其效率是重要的考虑因素。
　　其次，需要明确DC-DC开关电源的应用环境以及负载特性。例如，在高温环境中，就需要使用能够耐高温的元器件，还要考虑是否需要设计过温保护电路；在有强电磁干扰的环境中，需要采取相应措施抑制其对电路的电磁干扰。另外，是恒流负载还是恒压负载，负载的波动性如何等，这些因素将共同决定控制方式的选择以及反馈系统的设计。
　　再次，需选择适合的电路拓扑结构（如降压、升压和升降压等），以满足设计目标。电源设计还涉及大量的元件选择与参数计算，以确保系统的稳定与高效运行。例如，选择合适的输出滤波器和电感用来平滑输出电压，减少纹波；选用低导通电阻的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）来减小功率损耗、提高效率。控制结构的选择是开关电源设计的重要环节，决定了电源的动态响应与稳定性。对于不同的设计需求，可以选择的控制结构也是多种多样的。例如，对于低成本、简单应用、稳定性要求较低的电源，可以用电压模控制；对于高动态响应、高稳定性、高效率、噪声控制要求较高的电源，可以用电流模式控制。
　　然后，使用Simulink、Simplis等仿真工具对设计的电源系统进行建模，通过仿真分析评估系统在不同工作状态下的性能，如启动、稳态、过载等，从而进行优化调整。
　　*后，系统稳定性设计至关重要，稳定性不佳会导致电源工作不稳定，甚至出现振荡。使用传递函数、波特图等方法，可以分析系统的频率响应，确保系统在不同负载和输入条件下的稳定性，还可以通过补偿设计改善系统的动态响应，避免振荡或不稳定现象。
　　1.3BUCK开关电源应用
　　BUCK开关电源作为一种高效、灵活的降压型DC-DC变换器，以优异的电压转换能力和高功率密度成为通信设备、工业控制、消费电子等领域中不可或缺的核心组件。本节将从工作原理、外围应用参数计算以及功率器件参数计算三个方面，系统介绍BUCK开关电源的关键技术，为实际工程应用提供理论支撑和实践指导。
　　1.3.1 BUCK开关电源工作原理
　　1.结构原理
　　BUCK开关电源的原理如图1.3所示，当M1闭合时续流二极管VD截止，由于输入电压Vin与储能电感L接通，因此输入-输出电压（Vin-Vout）就加在L上，使通过L的电流线性地增加。在此期间除向负载供电外，还有一部分电能储存在L和Cout中。当开关断开时，L与Vin断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在L上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。此时续流二极管VD导通，存储在L中的电能就经过由VD构成的回路向负载供电，维持输出电压不变。开关断开时，Cout对负载放电，这有利于维持Vout保持不变。
　　BUCK开关电源的占空比计算公式为
　　（1.1）
　　2.工作模式
　　BUCK电路根据不同的电感电流状态，可以划分为三种不同的工作模式：连续导通模式（continuous conduction mode，CCM）、临界导通模式（boundary conduction mode，BCM）和断续导通模式（discontinuous conduction mode，DCM）。
　　1）BUCK开关电源的连续导通模式
　　CCM的开关状态与电感电流关系如图1.4所示，开关周期为T，M1的导通时间为Ton，关断时间为Toff。
　　在稳定工作的状态下，从图1.4中可以看出，CCM下的电感电流在Ton时段上升，在Toff时段下降，两个时段的电流大小相等。此时，输出电压和输入电压的关系为
　　（1.2）
　　负载电流Io为
　　（1.3）
　　在CCM下，通过控制M1的导通和关断时间，就能控制输出电压大小。
　　2）BUCK开关电源的临界导通模式
　　BCM下的开关状态与电感电流关系如图1.5所示。
　　BCM是一种特殊的连续工作模式，它在电感电流降低为零时，开始一个新的周期，M1导通，电感电流持续升高。该状态下的输出电压和输入电压的关系式与CCM是一致的。
　　3）BUCK开关电源的断续导通模式
　　DCM下的电感电流在一个周期内的一段时间会降为零，其开关状态与电感电流关系如图1.6所示。电路进入DCM需要满足两个条件：①电感充磁开始以及消磁结束时流经电感的电流为零；②电感消除时间小于开关管关断时间。
　　根据伏秒积平衡，输出电压和输入电压有
　　（1.4）
　　同样，在一个周期内负载电流Io为
　　（1.5）
　　DCM下，在一段时间间隔内，电感中并没有电流流过，因此在计算平均电感电流时需要更精确，这会导致DCM下方程更为复杂。所以，尽管变换器工作在DCM下要比CCM下更具优势，但许多工程师还是会优先考虑CCM。
　　1.3.2 BUCK开关电源外围应用参数计算
　　在设计BUCK开关电源时，外围应用参数的计算是确保电源稳定、效率高、可靠性强的关键步骤。主要的外围元器件包括电感、电容、开关管、二极管等，这些元器件的选择和计算需要根据电源的工作要求来决定，下面是对BUCK开关电源外围应用参数的计算。
　　1.电感L
　　电感起到储存能量、平滑电流的作用，不同电感值的选择会对输出电压的稳定性和纹波电流产生影响。所以，在工程设计中常选择合适的电感值来优化电路的效率并提高其响应速度。根据连续与不连续的临界条件计算临界电感L，可表示为