一、什么是DCDC

DCDC是直流（DC）变直流（DC）（不同直流电源值的转换），是一种在直流电路中将一个电压值变为另一个电压值的装置，例如将一个直流电压（5.0V）转换成其他的直流电压（1.5V或12.0V）。

在电子产品中，需要不同的直流电压来为电路提供电源，经常见到LDO和DCDC的身影。

LDO是低压差线性稳压器，前期在公众号做过介绍；线性电源在产生输出电压的过程中，晶体管工作在放大区，本身也会消耗电能。经常拿LDO与DCDC做对比，两者的原理差别很大，特性也不一样：LDO简单，功率小，效率低，噪声非常低。DCDC复杂，功率大，效率高，噪声也很高。在电源芯片选型中，LDO和DCDC则是两种完全不同的芯片。

DCDC又称为开关电源或开关调整器，与线性稳压器LDO相比较，效率高是DCDC的显著优势，通常效率在70%以上，效率高的可达到95%以上。开关电源不同于线性电源（晶体管工作在放大区），晶体管在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换（晶体管工作在非线性区，又称开关状态），这两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是通过调整晶体管导通及断路的时间来达到。

开关电源的高转换效率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器。下图给出了工作频率对电源及配套电容尺寸大小的影响示意图：

若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时，开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂，内部晶体管会频繁切换，若切换电流尚未加以处理，可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备。

二、常见的DCDC

DCDC转换器常见的三种拓扑结构分别为Buck（降压型DCDC转换器）、Boost（升压型DCDC转换器）、Buck-Boost（升降压DCDC转换器），简易拓扑结构图如下图所示：

第一个是Buck、第二个是Boost，第三个是Buck-Boost（有的也称为反极性Boost）。

可以通过电感的链接简单的进行区分：

如果电感连接到地，就构成了升降压变换器；（Buck-Boost）

如果电感连接到输入端，就构成了升压变换器；（Boost）

如果电感连接到输出端，就构成了降压变换器。（Buck）

芯片中的降压型稳压器（BUCK）和LDO是常见的电源管理组件，它们在提供电源的稳定性、效率和性能方面发挥着重要作用。下面重点介绍BUCK。

三、BUCK工作原理

BUCK通过周期性开关来控制输出电压，将输入电压经过一个电感和开关元件（通常为MOSFET，见下图的S1）来实现电压降低。通过调整开关元件的工作周期和占空比，BUCK可以实现精确的输出电压控制。

S1断开时电流的流向

S1闭合时电流的流向

当开关管S1闭合时，电感L被充磁储能，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，给负载R_L提供能量，若S1一直闭合则最终Vout会近似等于Vin电压（S1有耗损压降）；

当开关管S1关断时，储能电感L通过续流二极管D放电，电感电流I_L线性减少，输出电压Vout靠输出电容C放电，若S1一直保持关断，则Vout会最终降至0V。

通过控制电路控制S1的工作周期和占空比可以获得输出的电压。下图给出了将12V直流转换为5V直流的例子。

电路可以简单的看成将12V的直流电以一定的频率开通和关断，此时的输出为方波，在导通时输出电压为12V，关断时输出电压为0V，当导通时间为整个周期的5/12时，输出电压的平均值在5V。加上电容电感滤波后就成了直流5V。5/12也就是占空比。

四、BUCK关键技术指标

BUCK常用于将电池或电源的高电压降低到芯片、处理器和传感器所需的低电压。它在移动设备、电源适配器等领域中得到广泛应用。DCDC选型时首先应考虑输入输出电压，输出负载，效率，成本，封装，开关频率是否满足应用，特殊的应用还需要考虑静态功耗（如手持设备），待机功耗等等。

1．共模BUCK系列部门产品及部分参数

GM2400系列产品是专为实现快速瞬态响应而优化的40V、4A/6ABUCK。它是一款紧凑、高效率、高速、同步、单片式、降压型开关稳压器，在2M时的效率可以达到95%，仅消耗4μA静态电流，输出纹波小于10mVP-P。该器件集成了上管和下管电源开关以及所有必要的电路，以最大限度地降低增设外部组件的需要，可以广泛应用于工业控制和汽车电子。

GM2500系列产品是低噪声BUCK，能够通过2.25V至5.5V输入，提供2A/4A/6A输出电流。该器件采用LowEMI对称架构，可以在最高8MHz开关频率下实现低EMI和高效率。对于具有更高功率要求的系统，易于实现多相并联转换器，大规模应用于通信（数据中心）及汽车电子（自动驾驶）行业领域。

2．输入电压范围

考虑实际使用输入的电压波动范围，对照DCDC器件手册推荐工作电压范围选用，确保不能超过器件规格。

共模BUCK产品提供了两种输入电压范围，2.5-5.5V，3.7V-42V。

3．输出电压

输出电压是DCDC很重要的参数，也是电子设备设计者选型时首先应考虑的参数。DCDC有固定输出电压和可调输出电压两种类型。

4．最大输出电流

持续的输出电流能力是DCDC器件一个重要的参数，选用时要参考此参数，并要保留一定的余量，DCDC的输出电流参数的选取需评估后级电路的瞬间峰值电流和发热的情况，综合来确定，并满足降额要求（一般满足80%降额，即若实际需要2A则至少应选择2.5A及以上电流输出能力的DCDC）。

共模BUCK产品最大输出电流为2A/4A/6A，可供选择。

5．纹波噪声

DCDC器件开关动作以及对电感电容充放电，都会造成EMI（电磁辐射/干扰）和电源纹波较大问题。若DCDC器件的纹波较大，会直接影响器件的转换效率，影响系统工作不稳定，发热量偏高，使整个系统的功耗偏大。

关于纹波能达到的指标取决于电源本身的设计，同时需要考虑电源系统带负载的实际需求，即要关注轻载和重载纹波。电源每路输出负载的纹波值与该路的电流值有关系，电源在轻载下纹波一般是不会超标的。DCDC电源纹波一般应该在200mV至50mV以下，满载不能超过该范围。

在实际使用中，大部分要求高的数字芯片为5%的纹波要求，小信号的模拟电路，对电源纹波要求非常高，一般要求在50mV甚至更低，此时可能需要考虑采用线性电源。

高速、高精度数据采集系统对精度和速度都有较高要求，对电源的纹波噪声极其敏感，除要求电源的纹波噪声小外，还需选用一些高精度、共模和电源抑制比大的运放来配合，电源的纹波噪声一般都需控制在10mV以内。

共模BUCK产品的输出纹波小于10mVP-P，可以满足高速、高精度数据采集系统的要求。

6．开关频率

工作频率的选择是效率、元件尺寸、瞬态响应和输入电压范围之间的权衡。

开关频率允许更高的控制环路带宽，从而具备高频工作的优点是可以使用较小的电感和电容值。更高的更快的瞬态响应。较高的开关频率的缺点是效率较低，因为增加了开关损耗，和较小的输入电压范围，因为最小的开关导通时间限制。

DCDC的开关频率决定了外部电感的选型，频率越大需要的电感值就相对小一些，节省电路板面积，如下图所示：

共模BUCK产品的可编程开关频率：1MHz 至 3MHz 或 3MHz 至 10MHz,是目前国内开关频率最高的BUCK。开关频率2M外部电感为220nH，开关频率4M外部电感为110nH。大大减少了电路板面积。

共模产品的电感值和电容值更小一些。可以降低电路板面积和成本。

共模产品的电感值和电容值更小一些。可以降低电路板面积和成本。

下图给出了共模DCDC，对照TI的TPS62816/TPS62812的电感值、电容值，电路板面积和成本对比。

输出电流为6A，开关频率为4M，TPS62816的外围器件为0.47uH电感，三个22uF电容，GM2506的外围器件为0.22uH电感，三个10uF电容。

输出电流为2A，开关频率为4M，TPS62812的外围器件为0.68uH电感，两个个22uF电容，GM2506的外围器件为0.33uH电感，两个10uF电容。

7．效率

DCDC具有较高的转换效率，在大功率电源转化中不会造成过大热能损耗和散热问题。同时要关注轻载和重载两种情况，轻载会影响待机功率，重载会影响温升。一般要能够达到80%以上。

共模BUCK产品开关频率虽然高，仍能维持高效率。开关频率为2M时效率能达到95%。

下图给出了共模BUCK产品开关频率在2M和4M的效率。

8．负载调整率

电源负载的变化会引起电源输出电压的变化，负载增加，输出电压降低，相反负载减少，输出电压升高。好的电源负载变化引起的输出变化较小，通常指标为3%–5%。负载调整率是衡量电源好坏的指标，好的电源输出接负载时电压降较小。

负载调整率=（无负载电流时的负载电压-满负载电流时的负载电压）/满负载电流时的负载电压100%。

共模BUCK产品负载调整率远远优于通常的指标。

下图给出了共模BUCK的负载调整率的测试数据。

可以计算出输入为5V时的负载调整率为0.25%,远远优于通常指标的3%–5%。

从上图给出的输入电压变化时，无负载电流时的负载电压和满负载电流（6A）时的负载电压，负载调整率基本都维持在0.25%。

五、低EMI PCB布局

GM2400系列产品专为最大限度地降低EMI/EMC辐射、同时尽量提升高频开关工作时的效率而特别设计。为了获得最优的性能，GM2400需要使用多个VIN旁路电容器。应把两个小的1μF电容器布设在尽可能靠近GM2400的地方：一个电容器应连接至VIN1/GND1；第二个电容器则应连接至VIN2/GND2。应将第三个数值较大的电容器(2.2μF或更高)安放在靠近VIN1或VIN2之处。请见下面推荐PCB布局。

需注意GM2400的VIN1、VIN2、GND1和GND2引脚以及输入电容器(CIN1、CIN2)会流过较大的开关电流。由输入电容器形成的环路应尽可能小(通过把这些电容器布设在邻近VIN1/2和GND1/2引脚的地方来实现)。具有诸如0603等小尺寸的电容器因其寄生电感极低的原因而成为最佳选择。

输入电容器以及电感器和输出电容器应布设在电路板的同一侧，而且它们的接线应做在该侧电路的表层上。在应用电路的下方布设一个完整的接地平面(位于最靠近表层的电路层上)。SW和BST节点应尽可能地小。最后，应保持很小的FB和RT节点，这样接地走线将使之免受SW和BST节点的影响。封装底部上的裸露衬垫必须焊接至SW以降低至环境的热阻。为了保持低热阻，应尽可能地扩大从GND1和GND2引出的接地平面，并把热过孔添加至电路板内部和封装底部上的附加接地平面。

六、共模BUCK的特点及选型

共模BUCK产品特点总结如下：

1.共模BUCK产品提供了两种输入电压范围，2.5-5.5V，3.7V-42V。

2.共模BUCK产品最大输出电流为2A/4A/6A，可供选择。

3.共模BUCK产品的输出纹波小于10mVP-P，可以满足高速、高精度数据采集系统的要求。

4.共模BUCK产品的可编程开关频率：1MHz 至 3MHz 或 3MHz 至 10MHz,是目前国内开关频率最高的BUCK。

5.同一个开关频率，和其他DCDC对比，共模产品的电感值和电容值更小一些。可以降低电路板面积和成本。

6.共模BUCK产品开关频率虽然高，仍能维持高效率。开关频率为2M时效率能达到95%。

7.共模BUCK产品负载调整率远远优于通常的指标。

 共模BUCK产品如下所示，给出了兼容产品的型号，可以进行选型。

总结

DC-DC电源转换技术是现代电子设备中不可或缺的一部分，它能够将一种直流电压水平转换为另一种，满足不同电路组件对电压的需求。本文深入解析了DC-DC转换器的工作原理、关键性能指标以及在选择和应用中应注意的要点，重点介绍了降压型（Buck）DC-DC转换器。

DC-DC转换器概述

DC-DC转换器分为三大基础拓扑结构：降压（Buck）、升压（Boost）和升降压（Buck-Boost）。其中，Buck转换器通过控制开关元件（如MOSFET）的开启与关闭，结合电感和电容的滤波作用，将输入电压降低至所需水平。这种转换方式利用了开关状态下的低能耗特性，有效提高了整体效率，常见于移动设备、电源适配器等领域。

Buck转换器工作原理

Buck转换器的核心在于周期性地开关输入电压，通过调节开关周期（占空比）来精确控制输出电压。当开关开启时，电感储能，电流上升并为负载供电；开关关闭时，电感释放能量，续流二极管维持电流流向负载，输出电容平滑电压波动。通过调整开关占空比，即可获得期望的平均输出电压。

 关键技术指标与产品实例

- 效率：DC-DC转换器的效率是衡量能量转换损失的关键，高效转换器如GM2400系列能在2MHz频率下达到95%的转换效率，且静态电流低至4μA，适合对能效有严格要求的应用。

- 输入电压范围：共模Buck产品支持2.5-5.5V及3.7-42V两种范围，适应多种输入条件。

- 输出电压与电流：提供固定和可调输出电压选项，最大输出电流可达6A，满足不同负载需求。

- 纹波噪声：优秀的纹波噪声控制对于敏感电路至关重要。GM2500系列以其低噪声设计（小于10mVP-P）和低EMI特性，适用于对电源纯净度要求极高的场合。

- 开关频率：高开关频率（1MHz至10MHz）不仅减小了外部元器件尺寸，还提升了瞬态响应速度，尽管可能牺牲部分效率，但共模Buck产品通过优化设计仍能保持高效率。

- 负载调整率：良好的负载调整率保证了输出电压在负载变化时的稳定性。共模Buck产品达到了远优于常规标准的0.25%，确保了电压输出的稳定可靠。

- 低EMI PCB布局：为了降低电磁干扰，需要精心设计PCB布局，包括合理放置旁路电容、缩小关键回路面积，并确保良好的接地，如GM2400系列产品的设计旨在减少EMI。

综上所述，选择合适的DC-DC转换器需综合考虑效率、输入输出电压范围、负载特性、纹波噪声、开关频率及成本等因素。共模Buck产品凭借其高效、低噪声、高频率操作及优秀的负载调整性能，成为众多高要求应用的理想选择，尤其是在工业控制、汽车电子、数据中心及自动驾驶等领域。