一、开关稳压器基本原理
图一是降压型开关电源转换器的基本电路。根据基准电压来判断输出的电压是否为设定电压。当输出电压比设定电压低时MOSFET打开从输入向输出提供电力，电流不流经二极管D1，此时电感器储能。当输出电压比设定电压高时MOSFET关闭，此时储存于电感器的磁能变成电流流经二极管后提供给输出负载再返回到电感器。电感器的磁能用完，且输出电压下降则MOSFET再次打开。输出电压的值与控制电路产生的PWM波的占空比（开关开启时间与整个开关周期之间的比）有关。
下图展示了开关MOSFET打开和关闭时电流的流经路径。当开关元件处于打开状态时，电流从输入Vin经电感L充电到输出滤波电容Cout，供给输出电流Iout，此时电感器L中的电流产生磁场，电能装换成磁能被储存起来。当开关元件关闭时，二极管D打开，电感器L中积储的能量释放到输出端。
开关稳压器中的SW的平均电压等于输出电压，由此可以得出输出电压和输入电压的关系，连续导通模式下（CCM）：Vout/Vin=D，断续导通模式下（DCM）：Vout/Vin>D。Vsw和电感器中的电流可以由下图体现。
1.1 控制电路PWM波产生原理
开关电源中控制电路的主要功能是为开关管提供频率和占空比可调的驱动脉冲，从而达到稳定输出电压的目的。目前开关稳压器控制输出电压的工作模式主要有两种，分别是PWM（脉宽调制）和PFM（脉冲频率调制）。PFM是在保持方波宽度不变的情况下使打开（或关断）时间恒定来调整关断（或打开）时间，此模式频率不定因此噪音滤除困难，噪音更是有可能进入人耳可听到的范围。而且，在PFM模式下滤波电感为了能适应较宽的频段，其体积就必然要增大。PWM是指保持工作频率恒定改变功率开关的导通时间或截止时间来改变占空比。其频率恒定因此噪声容易滤除，当工作在连续导通模式满负载时效率高，是目前应用最为广泛的一种控制方式。本文也以PWM模式为例分析控制电路的的工作。
工作原理：被控的输出电压反馈到控制电路，将其加到运放的反向输入端，运放的同向输入端会加载基准参考电压。运放在比较反馈电压和基准电压后输出直流误差电压，加至PWM比较器的同相输入端，振荡器产生固定频率锯齿波加在同向端，两者经PWM比较器输出方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压的变化而变化，这样就实现了脉宽调制。
图二是比较电路和控制电路产生PWM波的基本原理图，它由误差放大器、三角波发生器、比较器所组成。当误差放大器（EA）输出与振荡器斜波电压相匹配时，RS触发器复位关闭锁存。在稳态时，Driver输出的占空比将通过EA的输出自我调节，从而保持正确的输出电压。当EA输出太小时，RS触发器有可能复位保持高态，从而使输出导通锁存。这种情况通常会发生在轻载时，因此需要在EA的输出端加补偿。
PWM控制的实质就是在输入电压、内部参数以及外负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的比较差值，调节主电路开关管的导通时间，保持脉冲的周期不变达到稳定输出的目的。
PWM控制的缺点就是在轻负载时效率会相对较低。频率恒定，因此在轻负载时开关损耗导致的效率恶化显著。
1.2 整流二极管的选择和同步整流技术
开关电源电路中的二极管D1必须具有与输出电压相等或更大的反向额定电压。其平均额定电流必须比所期望的最大负载电流大得多。其正向电压必须很低，以避免二极管导通时有过大的损耗。此外，因为MOSFET工作于高频开关模式，所以需要二极管从导通状态到非导通状态具有很快的恢复速度，恢复速度越快开关稳压器的效率也就会越高。因此此二极管会经常选择具有更低的正向电压降和极佳的方向恢复特性的肖特基二极管。
当输出电压降低时，二极管的正向电压对开关电源的效率影响很大。物理特性的极限使二极管的正向电压难以降到0.3V以下。而对于MOSFET来说，可以通过加大硅片的尺寸或并行连接分离器件来降低MOSFET的导通电阻RDSon。因此，在给定电流的情况下，使用MOSFET来代替二极管可以获得比二极管小很多的电压降。采用通态电阻极低的专用功率MOSFET来替代整流二极管以降低整流损耗从而大大提高开关稳压器的效率，此方法即为同步整流技术。
图三即为同步整流技术原理图。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。在同步降压开关电源中，这两个MOSFET必须以互补的模式驱动，在它们的导通间隙之间有一个很小的死区时间（dead time），以避免同时导通。
MOSFET的选取关注的重点是MOSFET的损耗问题。凡导体有电流流过必存在损耗，这部分既可以理解为直流损耗。在开关电源电路的传输损耗中，RDSon的损耗是最大的，驱动与开关损耗其次。在选取MOSFET时，RDSon要尽量的小，输入电容与驱动在适配的范围内尽量的小。
二、元器件的设计和选型
如今消费类电子产品越来越向轻薄小的方向发展，如此就会相应的压缩PCB板的空间。目前为了电路设计及布线方便，PWM控制电路及功率MOSFET都会集成在同一颗IC中，这也是电子工程师目前利用最多的DC/DC电源IC，这种DC/DC电源IC为电路原理设计和PCB板的布线带来了极大的方便。
上图为某品牌DC/DC电源IC原理框架图，此种DC/DC电源IC集成度高、功能应用丰富，各个功能引脚应用为：输入电源引脚VIN，连接输入电源到内置MOSFET，也为内置控制电路提供电源。VOUT引脚，用于检测输出电压。开关输出引脚，连接到外部电感器。Bootstrap引脚，自举电路。反馈引脚，可以用于设置输出电压。使能引脚，用于开关IC。PG引脚，在输出电压达到规定值时输出flag，通过与使能引脚组合可以控制启动时序。
图四即为使用此颗DC/DC电源IC的外围电路图。
2.1 输出电压设定
输出电压由反馈电阻R8206、R8205设定：
Vfb 为IC的内部参考电压，不同的IC会有不同的值。
首先选择R8205的值，如果R8205的值过小将导致相当大的静态电流损耗，而此值过大又会引起噪声，R8205一般建议在5KΩ到100KΩ。R8205确定后既可以通过要求的输出电压计算出R8206的取值。
反馈电阻的选择和IC本身FB电压的误差将直接影响到输出电压的精度，而往往规格值并非能够确定电源特性，这点在对输出电压精度要求高的场合将显的尤其重要。当R8206=30KΩ、R8205=24KΩ、Vfb=0.8V时，那么理论输出电压为1.8V。但是，FB电压的误差一般有1%，使用精度为1%的电阻，那么输出的最大值为：R8026加1%、R8025减1%、Vfb取值0.808V，输出值为1.838V，同样可计算出最小值为1.762V。输出电压误差已然能达到2.1%，这点在对电压精度要求高的场合要特别注意。
设置输出电压时一定要注意到估算包括使用电阻的公差在内的输出电压精度。使用高阻值反馈电阻时要注意噪音，而低阻值时注意轻负载时的效率下降。
2.2 电感器的选择
在被输入的开关电压驱动下该电感必须要能够为负载提供恒定稳定的电流。较大的电感会有较小的纹波电流这也会导致较小的输出纹波电压。然而，电感过大将要求使用大得多的电感器，较高的串联电阻，更低的饱和电流。电感太小又将会引起更大的开关电流。
电感的选择一般会按照如下的步骤：
计算所需的电感量。
计算流经电感的最大电流（输出电流加1/2倍的纹波电流）。
通过计算的L值（一般会是一个近似值），选择电感饱和电流计算的最大电流以上的电感。
在短路和瞬态状态下，可能流过高于计算最大值的电流，因此，也有以最大开关电流为标准进行选型的方法。
应用中电子工程师一般会根据所期望的纹波电流大小去选择电感值，一般建议电感纹波电流的峰峰值是在最大输出电流的20%到30%之间，而峰值电感电流低于最大开关电流的限制。电感值的选择可以通过如下等式计算：
上式中△I为纹波电流的峰峰值。
电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和（既是电感损失）情况下处理峰值开关电流，在电感不饱和的情况下经过电感的峰值电流可以通过下式计算：
从上两式可以看出：开关频率越高，所需的电感值就可以越小。电感值增大，可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。但电感值的增加，电感尺寸也相应的增大，电流的变化速度也会减慢。
下图亦可以体现开关导通关闭时间与上述电流关系。
2.3 输入电容的选择
降压转换开关电源的输入电流是跳跃的不连续的，因此需要输入电容实现输入电压滤波，输入电容值必须要足够大才能够稳定重负载时的输入电压，陶瓷电容在这方面具有良好的性能。输入电容C8206、C8207是High side FET导通时的输出电流供给源，通过使用大容量的电容，可以降低输入纹波电压。输入电容C8214（Cbypass）可以降低尖峰噪音，支持开关时产生的高频电流变化。输入电容应配置于IC最近处，不要求一次电源的容量。
选择输入电容时一般会按照如下原则：
- 可以通过电容的纹波电流发热特性和纹波电流的绝对最大额定值来判断能否作为输入电容使用。
- 使用陶瓷电容时，需要注意温度及施加于电容的DC偏置。电容具有的DC偏置特性，这样就要求在选择大小时需要考虑实际容量。即使容量相同、耐压相同，大小不同的实际容量也有很大的不同。
- 温度导致的电容值变化，通过使用具有X5R及X7R特性的高介电常数型陶瓷电容可获得稳定的温度特性。
- 如果陶瓷电容两端的DC偏置增加，则电容的容量下降。
- 输入的电容值会决定转换器的输入纹波电压。
该陶瓷电容的最大纹波电流额定值必须要大于最大纹波输入电流，输入的纹波电流可以通过下式进行估算，
输入电容值决定着输入电压纹波，如果对输入电压纹波有着具体要求，那么选择输入电容将是很重要的。输入纹波电压可以通过下式计算，
用于Cin的大容量电容一般在高频段的阻抗特性较差，因此需要配置高频用去耦电容Cbypass。输入电容在电流能力较小的电源（小于1安培）条件下所需的电容值也变小，因此有时可以用一个陶瓷电容兼做Cin和Cbypass。
2.4 输出电容的选择
输出电容必须要能够稳定直流输出电压，此处常用的电容为陶瓷电容或高分子电容。输出电容的选择一般考虑如下因素：
- 输出电容选型的主要元素是额定电压、额定纹波电流及电容的ESR（等效串联电阻）。
- 施加于电容的电压及纹波电流需要在最大额定值以下。
- ESR和电感电流一样是决定输出纹波电压的主要元素。
输出电容中的纹波电流为三角波，其有效值按下述公式计算得来:
输出纹波电压是开关电源的一个重要参数，由输出电容的ESR引起的电压值和由输出电容充放电引起的电压纹波共同构成了输出纹波电压。输出纹波电压通常由下式计算，
上式可以看出，输出电容器的有效串联电阻（Resr）和电感器的感值将直接影响到输出纹波电压，利用电感器的纹波电流△I和输出电容器的ESR亦可以简单的估测输出纹波电压。
当DC/DC电源IC的数据表中未记载输出电容的最大值、给Cout设定了推荐电容以上的容值时，我们不能将输出电容盲目的加大，尤其是具有过电流保护作用的IC。当正常启动时通过给输出电容充电使输出电压上升，因此会流过比通常工作是还大的Iin。启动的时间越短所产生的电流也就会越大。下图是一个正常启动时的Vout和Iin波形。
当使用大容量的Cout时，会流过更多的Iin，因此可能检测出过电流。此时的运行会因IC的控制方式而不同。下图展示了一个启动变慢的情况，可能会引起输出停止等启动不良问题。所以输出电容的选择也需要特别注意大容量电容的问题。
三、电路板布线与实际调试
开关电源电路在实际应用中往往会伴随着PCB的寄生电容、寄生电感和布线电感，开关MOSFET时，开关节点就会发生强烈的振铃。下图为开关电源电路在实际PCB中的等效电路和开关接点波形。
开关MOSFET的上升、下降时间为几个ns，上升时和下降时发生100MHz—300MHz的强烈振铃，这些将作为辐射噪音释放出来。输入电容器前面会发生较多与距离相应的高频噪音，一般可以用Cin消除噪音。当输入布线的长度变成天线，向外辐射噪音如果有1/4倍电波波长的天线便可有效的排出噪音。
3.1 电路板布线
PCB布线的优劣将会对开关电源电路的性能产生很大的影响，一个优秀的PCB布线将会为开关电源电路稳定工作提供良好保障。下面将以上面所诉的DC/DC电源IC为例谈一下PCB布线需要遵循的要点：
- 将输入电容和二极管配置在IC引脚的同一面，并尽可能的靠近IC放置。
- 电感器应将开关节点的辐射噪音控制在最小限度，所以配置在IC附件，但不要像输入电容那样靠近IC。
- 将输出电容配置在配置在电感器附近。
- 反馈电路路径一定要远离电感器和二极管等噪音源进行布线。
- 根据需要适当配置一些散热孔。
- 拐角布线要弯曲。
首先需要配置最总要的元器件输入电容和二极管。输入电容器在电流容量小（小于1安培）的电源场合容量值也将变小，所以有时可以使用一个陶瓷电容兼具Cin和Cbypass的功能。陶瓷电容随着容量值变小频率特性也将会变好。Cin使用大容量电容，一般情况下频率特性差，所以要与Cin并联频率特性好的高频去耦电容器Cbypass。最理想的布线即为将Cbypass配置在IC引脚同一面的附近，因为Cbypass供应大部分脉冲状电流，所以大容量电容器Cin可以不像Cbypass这样靠近IC，但要尽可能的靠近IC。下图的Layout显示了输入电容的最佳配置方式和在PCB板限制情况下的一种可用的妥协配置情况。
设计过程中往往为了改善布线电阻和散热会去增加铜箔面积。但电感处铜箔面积不宜过大，因为铜箔面积过大会起到天线作用从而增加EMI。另外，电感器不要设置接地层，接地层发生的涡电流会消除磁力线从而导致电感值的下降和损耗。即使对于接地层之外的信号线，也有可能受涡电流影响向信号线传播开关噪音，所以要避免在电感器正下方布线。电感器引脚间的距离也不宜过近，否则开关接点的高频信号通过杂散电容被诱导输出。下图的Layout显示了最理想的电感器布线和一种铜箔面积过大的不良电感器布线。
输出电容器要尽量靠近在电感器附近，由于输入接地附着有数百兆赫兹的高频，所以一般将Cin接地和Cout接地相距一到两个厘米配置，如果两者太近，输入的高频噪声会通过Cout传向输出。反馈路径对干扰非常敏感，所以一定要远离开关接点和其它干扰源，否则噪音被导向反馈电路将引起输出不稳等问题。下图展示了一种输出电容的布线配置。
另一点需要注意的地方就是布线在拐角处的转弯不要形成直角。因为越接近直角越多形成电流集中处，所以噪声和阻抗就会增大。转角要尽量的弯曲成45度或圆弧，弯曲的半径越大阻抗变化越小，布线效果也就越好。
3.2开关电源的调试要点
在实际的电路调试中我们主要的考量点有：功率、精度、效率、稳定性、发热、纹波等等。输入输出压差越大，效率也就会变差，但属于可优化范畴。器件的选择是影响开关稳压器性能的重要因素，按本文前述要求选择开关稳压器各器件即可达到性能要求。
纹波偏大导致的后果有发热和异常死机等，发热包括电源发热、器件发热，纹波过大亦造成供电紊乱供电不稳从而会出现异常死机情况。当出现纹波电压偏大情况时，应查看Cout、Cin、滤波电感这些参数是否在要求范围内，其次查看驱动是否正常。如果以上均正常，就要查看PCB布线情况。当纹波正常但依然存在发热严重问题时，应先查MOSFET的RDSon、输入输出电容、耐压，再查驱动是否正常。下图为输出纹波波形，可作为我们在实际调试中测量纹波波形的一个参考。
电感发热应重点查DCR、LC常数。测量流过电感器的电流波形是否正常，电压和电流的峰峰值是否在范围内。下图是一个测量出的正常电感器电流波形。
若电容发热，应检查电容的耐压、工作频率与ESR是否满足，陶瓷电容还要检查交流振荡导致的机械发热。
干扰大，易死机在排除上述问题后，可以查看layout情况是否合理，查看耦合电容部分是否正常。
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