我们详细介绍了降压型与升压型 DC/DC 转换器的 PCB 设计要点,并深入分析了热回路优化与 GND 设计方法。完成电路板设计后,便进入到至关重要的电路板安装阶段。电路板安装是实现 DC/DC 转换器设计的关键步骤,本文将全面阐述安装过程中的焊接技巧与导通检查要点,使用示波器对 DC/DC 转换器的输出电压、纹波噪声及负载电流进行评估。
图 1 展示了依据设计完成的电路板正反面。如设计部分所述,缩短 DC/DC 转换器的热回路布线极为重要,这样能将外围元件集中在 IC 附近。同时,有意识地在电路板背面采用宽范围的 GND(即电路板的参考电压),使其稳定(铜箔部分)。不过,在实际操作中,考虑各个元件和 GND 的联系并实施起来并非易事。接下来,我们将介绍实施过程中遇到的困难及注意事项。

图 1 电路板正面 (左);电路板背面 (右)
由于本次设计使用通用基板,所有元件均需手工焊接。对于引脚间距细密的 IC(特别是采用 SOP 等封装并通过 DIP 转换板适配的情况),焊接是安装过程中的难点。图 2 展示了 DIP 转换板上的 IC 焊接状态对比,左为焊接中,右为焊接后的效果。

图 2 DIP 转换板上的 IC 焊接状态对比 (左:焊接中;右:焊接后)
在焊接过程中,为确保引脚间的完整焊接,推荐使用助焊剂 (Flux)。助焊剂是一种焊接促进剂,能显著改善焊锡流动性,促进焊锡精准附着于焊盘,减少相邻引脚间短路和虚焊风险。而且,助焊剂很容易用酒精洗掉,其残留物可使用浸泡在异丙醇中的清洁布(如 Kimwipes)轻松去除,终呈现如图 2 右侧的干净效果。
在安装过程中及完成后,进行系统性的导通检查是防止电路故障的关键步骤。确认方法很简单,如图 3 所示,只需将导通检查器的两个端子对准测量位置即可。导通时仪器会发出声音,不导通时则不会发出声音。

图 3 导通检查
导通检查关键点:建议在焊接完关键部分(如电源输入、IC 及其外围元件)后立即进行局部导通检查,而非等到所有元件焊接完毕。这有助于快速定位问题点,避免后期排查困难。对 IC 引脚、DIP 转换板焊点、电源输入 / 输出端、GND 进行重点检查,需特别留意相邻引脚间是否有短路,以及焊点是否与焊盘可靠连接(无虚焊)。
完成电路板的设计与安装后,需对其进行系统评估以验证设计目标是否达成。评估环节对于评估转换效率、稳定性、噪声水平及负载能力至关重要。接下来,我们将通过使用示波器进行 DC/DC 转换器关键性能评估。
在介绍 DC/DC 转换器的评估之前,先简单介绍一下示波器。示波器是一种可以检测电信号时间变化作为波形的装置,是电源评估时的必备物品,如图 4 所示。

图 4 示波器
示波器在电源评估中的主要作用包括:输出电压的大小测量、输出电压的噪声测量、频率 / 周期的测量、输出电压上升波形的测量以及瞬态响应特性的测量。
首要需要评估的点是确认转换器能否稳定输出目标电压值。本次设计安装了 3 种 DC/DC 转换器的反馈电阻,设计了通过开关输出 3 种电压。使用示波器测量输出电压波形如图 5 所示,结果显示各档位均能、稳定地输出目标电压。

图 5 输出电压波形
接着开始确认噪声,输出电压的纯净度(主要表现为纹波与噪声)是衡量电源质量的关键指标。然而,初始测量时难以清晰观测纹波波形,原因在于测量设置不当:在测量噪声时也进行了 DC 测量,没有很好地扩大波形。正确方法是:在进行噪声评估时,需要更细致地观察波形,想要测量微小的交流噪声分量,需要将示波器通道设置为交流耦合 (AC Coupling) 模式。通过 AC 设置,可以准确观察波形中心相对于水平的 0V 轴是如何波动的,所以适合噪声评估。实际测量的结果如图 6 所示。

图 6 波纹电压波形 (上)、开关波形 (下)
图片中,上面的波形表示输出电压的波形,下面的波形表示开关波形。在输出电压波形中,可以观察到波纹电压和尖锐的大峰值噪声,这种尖峰噪声主要伴随着开关的打开和关闭而产生。为确认尖峰噪声是否真的与开关动作相关,结合开关波形(图 6 下)一起观测,对比可见,噪声的确是在开关导通和关断时产生。这次的噪声在后段 IC 的允许范围内,所以没有问题,但为减少高频的尖峰噪声,可在负载位置添加 LC 滤波器 和铁氧体珠等进行抑制。
示波器不仅可以确认电压波形,还可以确认电流波形。接下来对驱动电机的转换器进行测试,图 7 为示波器中输出电压及负载电流的波形显示。

图 7 输出电压及负载电流的波形
初设计预期负载电流为 600mA 左右的负载,但实际测量后发现电流超过 1A。另外,电流波形上升稀疏,这是由于电源的电力供应不足。由此可见,示波器不仅可以测量输出电压精度、分析纹波噪声特性、验证负载能力,还可用于诊断故障原因。