设计开关稳压器是一件非常头疼的工作！必须要考虑到降压、升压、回馈、SEPIC等多种电路结构。首先，必须依据脉宽调制（PWM）、磁滞、脉冲频率调制（PFM）、电流模式、电压模式等来确定控制方法。一旦控制方法确定了，就必须选择控制器集成电路。然后，就要选择MOSFET等电源开关，计算它们的功耗，设计栅驱动电路。还必须计算电感和电容，再根据饱和电流，rms纹波电流有效值、DCR、ESR、实际尺寸等选择元件。然而，当你认为已经完成了，回路补偿问题又露面了！电路稳定吗？我怎样确保它的稳定性？控制器IC内部电路的波特图呢？我的负载对稳定性有怎样的影响？短路保护或电流极限又怎么样呢？

正当你自认为已经完成了设计，PCB布局的设计者又询问你对FETs、电感、回路补偿元件、接地安排等PCB布局的要求。他告诉你选择的电感和输出电容太大了，超过了为电源留的空间，他想在IC控制芯片2英寸处放置FETs。那么，电流检测电阻的开尔文连接是什么？热设计怎么样呢？散热器（heatsink）在哪里？你知道过孔实际是电感吗？

设计开关稳压器的确是一件非常头疼的工作！更困难的是大多数嵌入式开关电源是由数字硬件工程师设计的，而不是模拟或电源工程师。
 
本文目的就是展示，Intersil的集成FET直流/直流转换器如何使你更加容易地设计出一个嵌入式降压直流/直流转换器。稳压器芯片包含了许多很难的设计考虑，如FETs、电流检测元件、回路补偿、电流极限和过热保护。通过使用固定的电感和电容值，可以避免这些选择过程。FETs在内部，因此它们的特性和内部连接专为设计进行了优化。高达1.5MHz的开关频率允许使用非常小的电感和电容。最后，大多数Intersil的集成FET直流/直流转换器还有评估板和推荐的PCB布局。

本文介绍简单的测试电路来快速评估回路稳定性，而不需要为波特图和相位裕度测量头疼。使用示波器测量输出噪声的校正技术将通过示波器照片展示出来，从而区分好的和不好的探测技术。为了尽量减小给多个电源排序的难度，本文将给出一个跟踪普通锯齿波（ramp）电路输出电压的简单电路。

Intersil集成FET直流/直流转换器的特色和优点

（1）注意该电路使用简便，因为设计时只需要4个外部元件——一个输出电感，一个输出电容和两个设置输出电压的电容。此外，电路还必须包含旁路电容。

（2）注意由于使用了内部FETs，就不需要选择FET了。内部FETs对输入电压，负载电流，开关频率等各个电路参数都进行了优化。因为FETs是内部的，PCB板上也不需要有FETs和控制器的连线了。

（3） 所有Intersil集成FET直流/直流转换器产品都使用同步整流来达到高效率。高效率的好处就是能延长便携式应用中的电池寿命，在高电流下温度升高较小。

（4）S1使用P通道FET使得器件有100%的占空比，因此输出电压范围能够包含输入电压，仅有非常低的压降。

（5）内部回路补偿使工程师不用再为确保闭环稳定性而大费脑筋。它也简化了电感和输出电阻的选择，因为器件的数据手册上有固定的最小值。增大感抗或容抗仅仅增加了回路稳定性（要以瞬态响应和实际尺寸为代价）。

（6）由于有高开关频率和内部回路补偿，输入和输出电容可以使用小的陶瓷电容。

（7）由于采用微小的IC封装（QFN和MSOP），高开关频率（高达1.5MHz）也允许使用非常小的电感和陶瓷电容，而且有出色的热性能，器件可以做到非常小的尺寸。例如，EL7532采用10引脚MSOP封装，而所有元件都安装在PCB板的一侧，整个转换器也仅仅占用不到0.18in2的空间。

（8）使用了改进的热管理封装技术，如QFN封装和熔融引线MSOP等，热性能有了显著的提高。

（9）许多Intersil集成FET直流/直流转换器都具有外部频率同步，可在单一或多路直流/直流转换器系统中为用户提供了改进的EMI性能选项。
a. 外部频率同步使用户可以查出具有“不可思议”频率的开关噪声，从而避免单个直流/直流转换器系统中出现系统干扰。
b. 在多路直流/直流转换器系统中，外部频率同步可以消除工作在不同频率的两个开关稳压器产生的拍频。此外，外部频率同步还能提供多相开关以减小纹波电流和噪声。
c. ISL8010和ISL8013的同步特性可以使开关频率增加到12MHz，允许使用更小的输入和输出滤波器来减小EMI。
 
Intersil集成FET直流/直流转换器设计方法

Intersil集成FET直流/直流转换器产品系列提供高度集成的电源系统，大多数产品都包含内部回路补偿。因此，元件选择的过程非常简单，因为大多数应用使用的是固定的元件值。

（1）选择电感

具有内部回路补偿的元件（ISL6410,ISL6455,ISL8011,ISL65426和EL7532）选择数据手册中推荐的电感值。一旦计算出感抗值，就要计算电感纹波电流和峰值电流的值，以选择正确的电感。所选电感的饱和电流额定值必须大于IL（最大值），平均电流（或RMS电流）要大于负载电流。电感厂商通常用不同的方法规定这些参数，所以必须注意阅读和理解电感的数据手册。
 
由于有内部补偿，所示的电感值应为感抗。较低的电感值会产生较低的相位裕度（例如，降低的稳定性）。也可使用较高的电感值；但是，它们将导致电流模式控制回路潜在的不稳定性，有较慢的瞬时响应和更大的尺寸。

（2）选择输出电容

输出电容必须为一个低ESR的电容（建议小于50毫欧），以尽量减小输出电压波动和负载级瞬变，提供合适的回路稳定性。此外，输出电容的rms电流额定值必须大于电感的rms电流。
 
（3）选择输入电容

因为降压转换器的输入电流在0和最大负载电流之间漂移，所以输入电容的RMS电流额定值应为输出负载电流的一半。数据手册中给出了计算准确rms电流额定值的公式，但是安全的考虑是选择rms额定值为0.5*Iout的输入电容。输入电容的最小值应为10μF；较高的电容值将导致较低的输入电压波动。最好选择陶瓷电容，因为它们有非常低的ESR，从而有较高的rms纹波电流性能。
 
（4）通过使用逻辑电平（ISL6410、ISL65426）或外部电阻（ISL6455、ISL8010、ISL8011、EL7532、EL7536）来设置输出电压

ISL65426比较特殊，因为它的输出电压可以通过逻辑电平，也可以通过外部电阻来编程。使用外部电阻来设置输出电压时，使用一对反馈电阻来监视输出电压，用固定的电压基准来调节输出电压。

（5）电压排序和跟踪

现在的许多微处理器，门阵列和其他逻辑设备都需要多路电源电压来提供他们的核心和I/O部分的电压。为了消除逻辑设备内部的锁定情况，电源电压就需要按照特定的顺序接通或断开。给电源电压排序要用到使能脚，Intersil集成FET直流/直流转换器产品和Intersil电压排序控制器，如ISL61xx产品系列，都具有这一功能。

然而，微处理器，门阵列和其他逻辑设备经常也需要有电压跟踪能力。例如，“2.5V核心电压与3.3V I/O电压之间的差分电压在任何情况下都应小于0.7V”。通过给3.3V和2.5V的电源排序就不能满足这种跟踪要求，因为它将违反0.7V最大差分电压的规范。

因此，以通常的波形跟踪系统中所有输出电压往往要很谨慎，这样它们在接通和断开时可以一起跟踪。EL7566和EL7554可以通过STN和STP脚实现电压跟踪，因此这其实是一项很简单的工作。

（6）PCB设计/布局考虑

在开关稳压器的设计中，PCB板的布局是一个有效部分，必须考虑稳定性，低噪声和热管理的问题。如果让使用自动布局和自动布线软件的PCB设计者来考虑PCB板的布局，就会出现问题。硬件设计工程师必须考虑PCB布局的各个方面，没有其他捷径。

大多数的Intersil集成FET直流/直流转换器产品都有数据手册和评估板，会提到已经检验过的PCB布局。可能的话，多使用它们！

PCB布局从画好的示意图开始。示意图象讲述一个故事；而不仅仅是生成一个PCB的网络图表。示意图要展示接地系统，开尔文连接，恰当的元件布局，还要展示直流/直流转换器电路的所有局部元件。关键的旁路电容不能在控制芯片的10页以后再做说明！

首先，必须建立两个接地系统。电源接地（PGND）应该连接所有的高频和大电流通路。PGND应为一个接地平面或敷铜区域。信号接地（SGND）应该接至所有的低电流信号的连接。SGND连接不需要接地平面或敷铜区域。PGND和SGND只有在一个点处必须接在一起，通常是控制器芯片的PGND脚。一般使用一个0欧姆的电阻来创造单独的SGND网络，将PGND连接到一个单独的点。

其次，所有的电源元件（控制芯片，电感，输出电容和输入电容）都应该放在PCB板的一边，以避免使用通孔进行内部连接，产生阻抗和感抗。直流/直流转换过程发生后，输入电压，输出电压和地线可以通过多个通孔布置在内层。这样的话，可以避免高频开关电流流过通孔。

第三，输入电容，PGND脚和输出电容的接地边应该尽可能靠近，以避免不连续的电流产生开关噪声。

第四，所有的“灵敏”节点应尽可能短。关键部件应尽可能靠近控制芯片，其中包括反馈电阻，去耦电容和回路补偿元件。幸而，使用高度集成的控制器使外部元件的数量减到了最小。

第五，必须注意PCB是热管理系统（heatsink）,控制芯片的周围必须敷有适量的铜来散热。
 
（7）正确的示波器探头接地技术

设计和评估过程最重要的是能够正确地测量出输出噪声和负载瞬变响应。这些很难测量，因为在高共模电压，高频开关电流和大的电磁场面前，它们是低电平信号。仅仅用示波器探头夹住测量点，使用4”接地引线不能满足要求。

为了测量输出电压纹波和噪声，一定不能使用探头的接地引线；而是将探头的接地环（ground collar）直接接在输出接地测量点上。可能需要把探头拆开才能连接接地环。探头的线夹也不能直接连在测量点上；而必须将探头的尖端直接连在测量点上。通常，探头会有一些附件，可以让这种直接测量更简单。

（8）用负载阶跃测试评估回路补偿

尽管大多数Intersil集成FET直流/直流转换器产品都有内部回路补偿，但还是要根据实际的输入电路，PCB布局和负载来评估整个回路的稳定性。检查回路稳定性的经典方法就是测量系统传递函数，断开反馈回路，在网络中插入一个测试信号，测量整个传递系统的增益和相位。用波特图显示相位和增益特性并测量相位裕度。这个过程可以通过利用计算机化的网络分析器自动进行，但是仍然很难达到最佳效果。所以，在设计评估过程中它常常被忽略，只有少数模拟领域的专家才能理解。
 
还有一个更简单的方法就是用一个负载级（load step）刺激整个闭环系统，然后测量过度振荡（势能不稳定）或慢响应（过补偿）的瞬态响应。这个方法是有效的，因为从H(s)频域到h(t)时域的拉氏变换是一个直接的变换。因此，不一定非要计算拉氏变换来评估回路稳定性！

最简单的方法就是用一个电子负载来测试负载的瞬态响应。但是如果你没有这种设备，可以用一个简单的电路给DC/DC转换器的输出（或任一电源）增添一个负载级（load step），并用示波器测量其产生的瞬时响应。最简单的方法就是用一个电子负载来测试负载的瞬态响应。但是如果你没有这种设备，可以用一个简单的电路给DC/DC转换器的输出（或任一电源）增添一个负载级（load step），并用示波器测量其产生的瞬时响应。

设计软件：i-Sim

Sim PE是Intersil的i-Sim产品模拟工具的个人版。你可以从Intersil的网站上免费下载，在使用Windows系统的PC上安装和运行。设计软件的功能包括：
1. 一个基于应用的Intersil电源管理产品选择器具有动态输入范围，可以和你的输入和输出要求相匹配。根据你的选择可以生成参考原理图。
2. 一个原理图编辑器，可以完全自定义你的原理图，并提供设计材料清单。可以下载具有完整注释的任何在线原理图。
3. 有一个常见电路部件的元件库可供放置和修改，以满足你的电路和相关元件的需求。你也可以用现有模板创建自己的元件库。在写这篇文章时，元件库里有80多个Intersil的元件，然而这仅仅是一部分，我们正在定期添加更多的元件。
4. 一个模拟工具可以帮助进行DC，AC和负载阶跃瞬态分析。后期模拟分析可以探查布局，计算节点电压和电流。

详细应用信息，请访问http://www.intersil.com/data/an/an1209sc.pdf。