華為硬件工程師（電源）的面試該怎么準備？

作者：電子硬件攻城獅
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0.前言

DC-DC電源知識是硬件工程師筆試面試中必考內容，本文詳細講解DC-DC的基本拓撲結構

BUCK電源。本文適用于應屆畢業生求職，可以應對一些常見的相對簡單層面的面試筆試題。

以下問題都是硬件工程師筆試面試高頻問題：

• BUCK電源電路的基本結構是什么？[要求會畫BUCK電路圖]

• BUCK電源的原理是什么？[要求懂得其降壓原理]

• 電源紋波產生的根本原因是什么？[要求掌握DC-DC電源的電源紋波根本來源]

• 抑制電源紋波的幾種常用方法有哪些？[要求了解電源紋波的抑制方法]

• 電源紋波的測量方法和注意事項有哪些？[要求會測量電源紋波]

• DC-DC電路的PCB布局布線注意事項有哪些？[要求了解DC-DC電路的PCB布局]

• DC-DC與LDO各自的優缺點及應用場合是什么？[會根據實際選型DC-DC與LDO]

1.DC-DC之BUCK電源

DC-DC電源，即直流-直流變換器是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱為直流斬波器

DC-DC有多種拓撲結構，如BUCK（降壓）、BOOST（升壓）、BUCK-BOOST（升降壓）三大基本拓撲結構。其中BUCK電源即降壓電源實現降壓輸出，BUCK電源電路基本結構如下圖所示：

BUCK電源電路基本結構

1.1 BUCK電源關鍵器件及其作用

關鍵器件有開關管S、電感L、電容C二極管D。

• 開關管S：可以導通和關斷電流，常見的開關管有三極管、MOSFET等。

• 電感L：可以將電能轉換成磁能儲存起來，也能將磁能轉換為電能再次釋放。需要注意：電感在儲能和釋能轉換時，電感的正負極會發生反向。流經電感的電流不能突變，只能逐步變大或變小。

• 電容C：具有充放電功能，電容器兩端電壓高于外部電路電壓時放電，反之充電。電容充放電不會發生正負極的反向。

• 二極管D：具有單向導電性電流只能單向流過。在BUCK電路，二極管D形成了續流回路，因此D也叫作續流二極管

1.2 BUCK電源工作原理

一般通過PWM波“定頻調寬”或PFM波定寬調頻”兩種方式來控制開關管的導通與關斷。常用PWM波控制，本文所述為PWM控制開關管的通斷。

PWM波可用單片機生，也可以使用PWM波專用芯片，如UC3842。

開關管S導通時電流回路

當PWM波控制開關管S導通時，圖中紅色回路為開關管導通時的回路。此時有下式成立：

電流開始從左邊的電源Vin正極流出，流向負極。電流流經續流二極管D的負極不能通過，繼續前進流經電感L，電感L將電能轉換為磁能儲存，電流繼續前進流經電容C，電容C充電，電流繼續流過負載R，回到電源Vin負極，整個電路通暢，輸出端負載正常工作。

此時電感L的工作狀態：此周期電感是左正右負，由于流過電感L的電流不能突變，所以負載R的電壓是逐步增大的。

開關管S關斷時電流回路

當PWM波控制開關管

關斷時，圖中紅色回路為開關管關斷時的回路。此時有下式成立：

當開關管S關斷，電源Vin不再供電，電感L儲存的磁能轉換為電能釋放，此時電感L的正負極反向（變成左負右正），電感L變成了電路里的電源。由于電流永遠是從正極流向負極，所以形成了圖中所示紅色回路。此時續流二極管D正向導通，電感L釋放的電流會逐步由大變小。

電容C的作用：當開關管S關斷，電感L不能及時給負載R供電，此時電容C立馬放電給負載R供電，電容C可以起到有效抑制電源紋波的作用。

斬波實現降壓公式推導

從上式推導中可知 ${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">o</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">u</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">t</span>}}_{}<span\; style="font-size:\; 18px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">D</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">i</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 18px;">n</span>}}$V_{out}=DV_{in} ，其中D為PWM波的占空比，占空比D的取值在0~1之間 ，因此實現了降壓，這就是斬波實現降壓的原理，可以通過改變PWM波的占空比D來控制降壓的大小，如占空比為50%，則 Vout=0.5Vin" role="presentation">$V_{out}=0.5V_{in}$V_{out}=0.5V_{in} ，即實現了輸出比輸入小一半，也就是降壓了一半。

1.3 DC-DC的PCB設計布局布線注意事項

• DC-DC的功率管腳應大面積鋪銅皮較少電源的溫升

• 根據載流原則處理好輸入輸出主回路（注意鋪銅的通流能力和過孔的數量）

• 反饋線不能繞著電感L走

• 開關電源片及其電感下面盡量不要布其他信號線

• 二極管流回路盡可能短

• DC-DC芯片的散熱焊盤上需打矩陣過孔作進一步散熱處理

• 布局要緊湊，輸入輸出主干道采用“一”字型獲“L”型布局方式

• 關鍵濾波電容放置要合理，采用先大后小的布局原則

• 輸出供電電源從輸出電容取電

• 對于多路輸出的開關電源盡量使相鄰的電感垂直分布（麥克斯韋定律磁場相互垂直可抵消干擾）

1.4 DC-DC與LDO的優缺點及選型

• DC-DC優點：效率高，輸入電壓范圍較寬，驅動力較強。

• DC-DC缺點：負載響應比LDO差，輸出紋波比LDO大。

• LDO優點：負載響應快，穩定性好，輸出紋波小。

• LDO缺點：效率低，輸入輸出的電壓差不能太大，驅動能力較小，負載不能太大。

在實際使用中，應綜合考量上述優缺點來進行器件選型。

1.5 同等條件下DC-DC和LDO誰的體積更大？根本原因是什么？

同等條件下，LDO的體積更大。由于LDO的轉換率更低，耗散功率更大，所以發熱量更大，因此在設計時會考慮散熱問題，所以其體積在其他條件相同時會相對DC-DC要大一些。

2.電源紋波產生的根本原因

隨著開關管S的開關，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與開關管S開關頻率同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個，它與輸出電容的容量和ESR有關系，紋波頻率一般為幾十到幾百kHz。

簡單來說，一般所認為的紋波產生的最根本原因就是由于開關管S的通斷過程導致電源產生波動，其頻率等于開關管S的開關頻率。

3.電源紋波的測試方法

• 示波器頭檔位選定：一般選定X1檔；

• 示波器通道耦合方式設置：電源紋波是交流信號，因此設置AC耦合方式；

• 示波器帶寬制設置：一般設置為20MHz，濾除電源的高頻噪聲成分，測量得到的紋波更加精準。

• 接地方式：需要就近接地，這樣紋波測量才會更加精準，并且需要把接地夾換成接地環。

• 示波器其他設置：適當調整水平時基、垂直檔位、和垂直偏移，讓紋波合適的顯示在示波器的中間位置。

• 測量紋波：可以使用示波器的Measure功能自動測量紋波峰峰值和頻率。也可使用垂直光標手動測量紋波峰峰值和頻率。

4.電源紋波的常見抑制方法

• 提高開關管的開關頻率。開關頻率越高，紋波越小。

• 加大電感和輸出電容濾波。根據開關電源的公式，電感內電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容來彌補鋁電解電容的不足。

• 二級濾波（即再加一級LC濾波器。LC濾波器對紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成LC濾波電路一般能夠很好的減小紋波。

電源紋波的抑制方法很多，但每種方法都有它自身的優缺點，所以在設計時需要綜合考量。

5.結語及拓展

特別是應屆畢業生求職時，硬件崗大概率（99%）會考核DC-DC相關知識，本期給大家分享的只是DC-DC三大基本拓撲結構中的BUCK（降壓）電源，關于BUCK電源，應屆畢業生求職掌握本文內容就足夠了。

此外DC-DC還有BOOST電源（升壓）和BUCK-BOOST電源（升降壓）兩大拓撲結構。

本文暫且先把BOOST電源（升壓）和BUCK-BOOST電源（升降壓）兩大拓撲結構的基本電路及原理公式給大家放在下方，供大家舉一反三，學以致用。

拓展1：BOOST電源

BOOST電源電路基本結構和原理公式如下：

BOOST電源電路基本結構

BOOST（升壓）原理公式

拓展2：BUCK-BOOST電源

BUCK-BOOST電源電路基本結構和原理公式如下：

BUCK-BOOST（升降壓）電源電路基本結構

BUCK-BOOST（升降壓）原理公式