一、DC-DC 转换器的工作原理

DC-DC 转换器是一种将输入直流电压转换为不同直流电压的电子装置，主要分为以下几类：

1. 降压型（Buck）

• 开关管（MOSFET 或 BJT）

• 二极管（或同步整流MOSFET）

• 电感

• 输出电容

• 功能：将高电压降为低电压。

• 典型电路：

• 工作原理：

• 输出电压公式（理想情况）：

  $$V_{out} = D \cdot V_{in}$$

  其中 $D$ 为占空比（Duty Cycle）。

1. 开关导通：电流通过电感流向负载，电感储能。

2. 开关关断：电感释放能量，通过二极管/同步MOSFET维持输出电流。

2. 升压型（Boost）

• 功能：将低电压升高。

• 工作原理：

• 输出电压公式（理想情况）：

  $$V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D}$$

1. 开关导通时，电感储能，电流增加。

2. 开关关断时，电感释放能量，通过二极管叠加输入电压至输出。

3. 降升压型（Buck-Boost）

• 功能：输出电压可高于或低于输入。

• 工作原理：综合 Buck 与 Boost 的原理，通过调节开关占空比实现电压调节。

4. 关键特点

• 开关模式工作，效率高（通常 85–95%）

• 输出纹波小，适合驱动微处理器、传感器等负载

二、效率提升方法

提高 DC-DC 转换器效率主要从以下几个方面入手：

1. 降低开关损耗

• 选择低导通电阻（Rds_on）的 MOSFET。

• 使用高频率下损耗低的开关器件。

• 优化开关管驱动，缩短开关上升/下降时间。

2. 降低导通损耗

• 使用同步整流代替二极管整流，减少正向压降损耗。

• 优化电感参数，减少直流电阻损耗。

3. 减少电感及电容损耗

• 选用低 ESR（等效串联电阻）电容，降低纹波功耗。

• 电感核心选用低损耗磁芯材料，降低涡流损耗。

4. 控制开关频率

• 高频可以减小滤波电感电容体积，但增加开关损耗。

• 中频优化可以平衡效率和尺寸。

5. 热管理

• 使用散热片或热过孔降低器件温度，提高可靠性。

• 适当布局减少导线和铜箔电阻。

三、EMI（电磁干扰）抑制方法

DC-DC 转换器高速开关容易产生 EMI，主要来源包括：

• 开关管快速切换引起的尖峰电流/电压

• 电感、电容寄生电感/电容

• PCB布局引起的共模干扰

1. 电路设计层面

• 合理布局

• 开关节点走线尽量短，减少环路面积。

• 高频回流电流路径与信号地分开。

• 滤波器设计

• 输入输出加 LC 滤波器。

• 使用共模电感抑制共模干扰。

• 缓冲电路

• RC 或 RCD 钳位电路抑制开关尖峰。

2. 元器件选择

• 高速二极管或同步 MOSFET 减少开关尖峰。

• 低ESR电容减少高频纹波。

3. PCB 布局技巧

• 开关节点与敏感信号远离。

• 使用多层 PCB，功率层与地层靠近。

• 输入输出电容尽量靠近开关管布置。

四、总结与注意事项

1. DC-DC 转换器通过调节占空比控制输出电压，核心是开关控制与能量存储元件（电感、电容）的协作。

2. 提升效率关键在于：

• 降低开关与导通损耗

• 优化磁性元件与电容

• 合理热管理

3. EMI 抑制方法：

• 电路滤波设计

• PCB布局优化

• 选择低损耗器件

4. 高效率与低 EMI 设计往往需要权衡：

• 高频设计小型化但 EMI 高

• 低频设计效率高但电感电容体积大