企业官网建设流程全解析

前阵子帮朋友调一块用3.7V锂电池供电的便携设备，PCB上用的是一颗Boost升压芯片，标称能把2.5V到4.5V升到5V，结果电池电压掉到3.3V左右，输出端一带载，电压直接从5V滑到4.1V，后来我把拓扑换成Buck-Boost方案，重新算了一遍电感和反馈电阻，才彻底解决问题。这篇文章就把这套设计从头到尾写出来，从Buck-Boost电路原理、芯片选型，到原理图和BOM，再到PCB布局和调试，手把手带你做出一块3.7V锂电池升5V的可靠电源板。内容不绕弯子，适合刚接触DCDC的开发者，也适合有基础想核对细节的工程师，电路图会以文字示意加连接清单的形式给出来，认真看一定能复现。

1. 为什么给3.7V电池升5V，我建议你别只盯着Boost

1.1 3.7V锂电池是“一段电压”，不是固定值

很多人以为3.7V锂电池输出就是恒定的3.7V，实际不是这样。一颗标称3.7V的锂离子电池，满电电压是4.2V，放电截止电压通常在3.0V左右，甚至有的设备会放到2.7V。这意味着一块电池从充满到放空，电压会经历4.2V、3.7V、3.3V、3.0V一个完整的下降过程。

如果电源芯片的输入范围不够宽、或者占空比调节能力有限，当电池电压下降后，升压电路可能无法维持5V输出。这里涉及两个关键问题：一是Boost拓扑的升压比是有限的，输入越低，开关管导通占空比越大，峰值电流越高，芯片容易进入限流保护；二是很多便宜升压模块虽然标称输入范围很宽，但实际带载能力会随着输入电压下降大幅缩水，所以才会出现我开头说的那个“输出跌落”现象。

设计这套电路之前，必须先明确电池的最低工作电压。我建议普通3.7V锂电池最低按3.0V设计，如果你用的是带保护板的电池包，保护板动作电压可能在2.5V到2.8V之间，但为了留出余量，电路设计仍按3.0V输入来校核比较稳妥。这样后续算电感、选芯片时，才会知道最恶劣工况在哪。

1.2 Boost和Buck-Boost到底差在哪

Boost升压电路只能把输入电压往上抬，输入电压必须低于输出电压，典型结构是“电感、开关管、二极管”三件套。Buck-Boost升降压电路则既能把电压抬上去，也能把电压降下来，其中比较主流的是四开关Buck-Boost结构，内部有四个开关管，相当于一个Buck电路前级加一个Boost电路后级组合到一起。

回到标题里的场景：3.7V锂电池升压到5V，正常情况下一路升压即可，Boost完全能覆盖。那为什么还要谈Buck-Boost？有两个很现实的原因。第一，如果你的系统里存在“输入电压可能会高于5V”的工况，比如同一个5V母线偶尔会接USB供电，或者电池不是锂电而是三节镍氢电池大约4.5V到5.4V，那么Boost就没法用了，Buck-Boost可以自动切换成降压或直通模式。第二，电池电压在4.2V到5V之间时，Boost虽然能升压，但升压比接近于1，占空比很小，控制环路容易不稳定，而Buck-Boost芯片会在“该降压时降压、该升压时升压、接近时用混合模式”，输出电压纹波和环路动态特性都会更好。

不过也要说句公道话，如果你只做纯电池供电、不会出现输入高于输出的情况，直接用Boost芯片更便宜，效率也不差。我之所以在整套设计里选了Buck-Boost方案，是因为这个板子后面还要兼容USB 5V输入，一颗芯片同时解决升降压问题，比用两颗芯片简单得多。

1.3 先判断需求：你的系统真的需要Buck-Boost吗

我见过很多朋友一上来就问“Buck-Boost芯片哪个好”，结果聊完发现他只需要3.7V电池升5V，负载电流不到500mA，用一颗几毛钱的Boost芯片就搞定了。选拓扑之前，先把需求框死，可以避免从选型就开始跑偏。

你可以按下面几个问题来判断：

• 有没有外部5V输入，比如USB线直接给板子供电？有的话，优先考虑Buck-Boost或者独立的电源路径管理芯片。
• 电池电压是否会长时间高于目标输出电压？如果电池满电4.2V，目标也是4.2V以下，降一点电压再输出，用Buck-Boost会更稳。
• 输出电流超过1A吗？超过1A时，Boost电感峰值电流会很大，芯片发热明显，Buck-Boost内部的同步整流结构通常效率更高。
• 对PCB面积和成本敏感吗？Buck-Boost芯片普遍比Boost芯片贵，而且需要4颗开关管，集成芯片也贵一些。

如果上面四个问题只有一个“有”，我更建议老老实实用Boost，省钱省面积。如果中了两条以上，尤其是兼容USB供电，那Buck-Boost这条路是值得的。

2. 核心原理：电感储能、公式推导、四开关结构

2.1 Boost电路一个开关周期内发生了什么

要理解Buck-Boost，先得把Boost吃透。Boost升压的看家本事是“电感电流不能突变”，整个工作过程分两个阶段。

第一阶段，开关管导通。输入电压直接加在电感两端，地PWM信号控制开关管，把电感一端接到GND，Vin通过电感向电感充磁，电感电流线性上升，能量以磁场形式储存在电感里。这个阶段负载电流完全由输出电容提供，所以输出电容不能太小，否则纹波会很难看。

第二阶段，开关管关断。电感电流不能突变，电感两端电压会自动反向，变成“左负右正”，把原来存下的能量通过二极管向输出端释放。此时电感上感应电动势和输入电压叠加，所以输出端电压能高于输入电压。二极管在这里很关键，它防止输出电容反向放电到电感或开关管。

Boost的升压比就是靠控制这两个阶段的时间比例实现的。用占空比D表示导通时间占一个周期的比例，输入电压Vin、输出电压Vout之间有一个近似关系：Vout约等于Vin除以(1-D)。占空比越大，升压比越高，但开关管导通时间越长，电感峰值电流也越大，效率会跟着下降。

2.2 也就是Vout=Vin/(1-D)这个公式怎么来的

推导很简单，把开关周期看成两个阶段。导通阶段电感两端电压是Vin，电感电流变化量等于Vin乘ton除以L。关断阶段电感两端电压是Vout减去Vin（忽略二极管正向压降），电流变化量等于(Vout - Vin)乘toff除以L。稳定工作时，一个完整周期内电感电流的净变化为零，所以两段变化量绝对值相等：

Vin * ton / L = (Vout - Vin) * toff / L

两边消掉L，再把ton换成D乘周期T，toff换成(1-D)乘T，整理后就是Vout等于Vin除以(1-D)。实际电路中，二极管和开关管都有压降，输出电压可以写成：

Vout = (Vin - Vsw_sat) / (1-D) - Vd

以3.7V电池升5V为例，忽略管压降，占空比D等于1 - Vin/Vout = 1 - 3.7/5 = 0.26，也就是导通时间占26%。当电池电压掉到3.0V时，D约为0.4。这个差别很关键，电感峰值电流不仅和负载有关，还和(1-D)有关。输出电流Iout在连续导通模式下，平均输入电流约等于Iout除以(1-D)，再叠加半个纹波电流，就是电感峰值电流。负载1A、电池3.0V时，D=0.4，平均输入电流大约1.67A，如果纹波再大点，电感峰值轻松超过2A，选电感时一定要注意饱和电流。

2.3 四开关Buck-Boost怎么组合出稳定输出

四开关Buck-Boost结构可以理解为“Buck级 + Boost级”共用同一个电感的组合体：输入侧两个开关管，一个负责Buck阶段的High-Side和Low-Side，输出侧两个开关管，一个负责Boost阶段的Low-Side和High-Side，中间串一个电感。

工作模式分三种。第一种，输入电压远高于输出电压，工作在Buck模式，输入侧的High-Side开关以PWM方式通断，电感和输出侧组成降压通道。第二种，输入电压远低于输出电压，工作在Boost模式，输入侧High-Side始终导通，输出侧Low-Side开关以PWM方式通断，完成升压。第三种，输入电压接近输出电压，芯片会在一个周期内同时用Buck和Boost的开关动作，形成所谓“过渡模式”，保证电压切换时不会有中断。

对于3.7V电池升5V来说，电池电压大部分时间低于5V，芯片主战场是Boost模式。但电池刚充满的4.2V到5V之间，升压比很小，很多普通Boost芯片会进入不稳定状态，而四开关Buck-Boost会适当切一点Buck路径进来，让环路更平滑。这也是我把方案定格在Buck-Boost上的一个重要原因。

3. 方案选型：给锂电升5V用的Buck-Boost芯片

3.1 选型前先看这五个参数

芯片选型不能只看“能不能升到5V”，一定要结合锂电池的电压范围和输出电流需求来筛。我个人看五样东西。

第一，输入电压范围。要覆盖3.0V到4.2V，最好留到2.5V以下，因为电池带载时电压可能比空载低。第二，输出电流能力。这里有个容易看错的地方，芯片标的1A输出往往是指某个输入电压下的值，比如5V输入升5V，或者3.3V输入升5V，不能想当然。第三，开关频率。频率高，电感可以选小一点，但可能带来热噪音和干扰问题；频率低，电感和电容会变大。第四，静态电流和效率曲线。如果是电池供电，轻载时静态电流太大会非常耗电，优先找带轻载PFM或低静态电流模式的芯片。第五，封装和外围复杂度。QFN小封装虽然好焊，但手工打样对新手不太友好，要综合评估。

3.2 以TPS63020为例：管脚和外围思路

TPS63020是一颗我用过很多次的四开关Buck-Boost芯片，输入电压范围1.8V到5.5V，输出电压可以调到2.5V到5.5V，内部集成同步整流开关管，外围只需要电感、输入输出电容和反馈电阻。芯片引脚主要包括VIN、EN、L1/L2（接电感两端）、VOUT、FB、GND、PS/SYNC等，其中PS/SYNC用来设置低功耗模式还是强制PWM同步模式。

对于3.7V锂电池升5V的场景，TPS63020的输入电压范围完全覆盖3.0V到4.2V，输出5V时在电池电压3.6V左右可以提供1A以上的输出电流，对于多数便携设备够用。芯片外围设计最关键的是电感不能随便选，手册推荐2.2uH到3.3uH，选小了负载能力不足，选大了会影响动态响应。另外EN引脚最好做上拉，否则芯片默认关断，输出为零。

3.3 同样能用的Boost芯片和他们的边界

如果你需求明确，只用纯Boost方案，也有不少成熟芯片，比如MT3608、SX1308、XL6009。MT3608和SX1308便宜量大，支持2V到24V输入、输出最高28V，很多模块都是基于它们做的。但它们内部开关管电流限制有限，带载能力随着输入电压下降得厉害，而且非同步整流，用二极管或外置肖特基，效率偏低，满载发热明显。

XL6009也是一颗老牌Boost芯片，输入范围宽，输出电流比较大，但它启动电压要求高，而且开关频率只有400kHz左右，电感和电容体积都偏大。这类芯片用来做个实验板没问题，但到量产，尤其是锂电池供电场景，效率、静态电流、保护功能往往都不如专用升降压芯片。

三颗典型芯片放在一起，差别很清楚：

3.4 不同方案横向对比表

如果你的系统只是纯电池、升5V、负载不超过500mA，其实用MT3608这类Boost模块就够，成本最低。如果要用到1A以上，或需要兼容USB 5V输入，或者对动态响应和纹波有要求，那直接上Buck-Boost芯片更省心。选型时不要被标称“输入范围2V到24V”迷惑，那只是芯片能工作的范围，不代表全范围内都能输出5V，真正要看的是输入输出电压交叉点上的效率和限流值。

4. 手把手画原理图：TPS63020电路图、电阻计算和BOM

4.1 完整电路连接图（文字版）

下面这张图是TPS63020为核心的简化原理图，文字版尽可能把每个引脚的连接画清楚。图中没有画出所有去耦细节，但核心功率回路和反馈回路是完整的。

Vin (3.7V锂电池正极) │ ├─ C1 10uF ── GND │ │ ┌──────────────────┐ └──│ VIN VOUT│────┬──── Vout (5V) │ │ │ │ │ ├─ C2 22uF ── GND L1 ──│ L1 L2 │────┘ │ │ EN ──│ EN FB │──── R1 (上端) ─ Vout GND──│ GND PS/SYNC │ │ │ │ R2 (下端) ─ GND └──────────────────┘

除了功率回路，还有几个引脚处理要说明。EN引脚必须接高电平，直接接Vin或者用电阻上拉都可以；PS/SYNC引脚如果要强制PWM模式，可以接逻辑高，如果要轻载省电就接低。FB引脚是误差放大器输入，不能悬空，反馈分压电阻的取样点必须从输出电容正极处拉一根独立的走线，不要经过功率电流路径，否则负载电流会在走线电阻上产生压降，导致输出电压测量位置不对。

4.2 反馈电阻：从目标电压倒推阻值

反馈电阻决定输出电压，计算公式很简单：Vout = Vref * (1 + R1/R2)。TPS63020的参考电压Vref典型值是0.5V，目标输出电压5V，代入公式：

5 = 0.5 * (1 + R1/R2) R1/R2 = 9

所以R1阻值是R2的9倍。阻值太小，反馈网络本身耗电会增加；阻值太大，FB引脚的输入漏电流会在电阻上产生误差。经验上把R2选在100kΩ附近，R1选在900kΩ附近。我习惯用E24系列电阻R1=910kΩ、R2=100kΩ，实际输出是5.05V左右；如果不想有0.05V偏差，可以用E96系列R1=909kΩ、R2=100kΩ，输出约5.045V。5V设备通常能接受±5%的范围，也就是4.75V到5.25V，所以用标准E24电阻完全没问题。

如果输出目标不是5V，比如要做3.3V或者12V，把目标值代进公式重新算一遍即可，乘法运算不用我多说。有一点要注意，反馈分压电阻中间节点到FB引脚之间的走线尽可能短，并且要和电感、开关节点拉开距离。因为FB节点是高阻节点，很容易拾取开关噪声，一旦噪声耦合进去，输出电压就会出现周期性抖动。

4.3 电感、电容怎么选：参数计算比抄封装更重要

很多新手直接沿用参考设计里的电感2.2uH，这是可以，但不一定最优。电感的感值会影响纹波电流大小。根据电感纹波电流公式：

ΔI = Vin * D / (fsw * L)

TPS63020开关频率典型2.4MHz，以输入3.7V、占空比0.26为例，电感2.2uH时：

ΔI = 3.7 * 0.26 / (2.4e6 * 2.2e-6) ΔI ≈ 0.182A

这个纹波值不算大，但还要考虑电感饱和电流。电感峰值电流是平均输入电流加半个纹波电流。输出1A、输入3.0V时，D约0.4，平均输入电流Iin约等于Iout/(1-D) = 1/0.6 ≈ 1.67A，峰值电流约1.76A。考虑芯片限流、启动瞬间和负载瞬态，电感的饱和电流至少留1.5倍余量，也就是2.5A以上。所以我建议电感参数按“2.2uH到3.3uH，饱和电流大于2.5A，DCR尽量小于100mΩ”来选。同样感值的电感，饱和电流差别很大，只看封装不看规格书，一定会踩坑。

输入输出电容以低ESR陶瓷电容为主。输入电容主要作用是为高频开关电流提供低阻抗路径，至少10uF，放在VIN引脚附近；输出电容用来减小输出电压纹波，推荐22uF以上，可以选一颗22uF再并联一颗0.1uF高频去耦电容。电容耐压值至少10V，X5R或者X7R材质优先，因为它们的容量在直流偏压下衰减比Y5V小很多。很多人在5V输出后端并100uF大电容，反而导致启动时过冲，这个后面会说到。

4.4 完整BOM表

下面这张BOM表是我实际去打样时用的物料清单，全部是容易买到的型号和参数。

如果你打算把板子放在金属外壳里长期工作，注意电感的磁场泄漏，尽量选屏蔽式电感，比如贴片一体成型电感或者带磁屏蔽的电感，否则会对附近的音频电路或者无线模块产生干扰。不过屏蔽电感一般贵一点，自己权衡。

5. PCB布局、焊接和第一次上电

5.1 开关电源布局最核心的一句话：让高频电流回路最短

DCDC布局说复杂复杂，说简单就一句话：高频电流换流的回路面积一定要小。对于TPS63020这类同步Buck-Boost，最关键的是输入电容、芯片、电感、输出电容这几个器件组成的功率回路。布局时把输入电容尽量靠近VIN引脚，输出电容尽量靠近VOUT引脚，电感紧挨着L1/L2引脚，地引脚通过过孔直接打到地平面，避免长走线绕圈。

我自己习惯的顺序是：先固定芯片，把VIN输入电容放在芯片左上侧，电感横在芯片右边，输出电容放在VOUT右边，这样功率回路呈一条直线，电流走向清晰。反馈电阻和FB走线放在芯片左下侧，远离电感。电感正下方的地层最好挖空一点，防止磁场在地层感应涡流。如果做不到挖空，至少不要在电感正下方走敏感信号线。

5.2 手工焊接顺序和检查

如果你是手工焊QFN封装，不要先涂一大坨锡膏。我常用的方法是在焊盘上薄薄上一层锡，再用烙铁加低温锡膏预上锡，然后把芯片对准摆放，热风枪均匀加热到锡融化，看到芯片自动回正就说明焊住了。温度建议330摄氏度左右，风速不要太大，吹太久容易把芯片吹鼓包。

焊完以后先不要急着上电，拿起万用表蜂鸣档测三组短路：VIN对GND、VOUT对GND、SW对GND，这三组应该都开路或阻值在几百欧以上。如果VIN对GND直接短路，大概率是输入电容焊反或者芯片方向放反。电容焊反时陶瓷电容会慢慢发热，长时间还可能炸裂。上电前检查比上电后排查省事太多。

5.3 第一次上电要用限流源，别直接怼电池

第一次上电最忌讳直接接电池，因为如果板子上有短路，电池内阻小，短路电流能瞬间烧毁走线和芯片。我建议先用可调直流电源设成3.7V，电流限制设成0.2A或0.3A，上电后看电源显示电流是多少。正常待机时电流只有几毫安到十几毫安，如果此时EN没拉高，则基本只有静态电流。如果一上电就电流飙到0.3A甚至被限流，先去查输出电容方向、反馈电阻焊接、芯片引脚有没有连锡。

电流正常后，再手动把EN引脚接到高电平，此时输出端应该出现5V。测量时用万用表测输出电压，同时观察输入电流有没有突然增加。如果没有输出，逐点量VIN电压、EN电压、SW节点波形，很快能定位是哪一级没工作。

5.4 效率测试和SW点波形

调试完成以后，建议做一次效率测试。用电子负载或者电阻做负载，从空载到满载分几个点，分别记录输入电压、输入电流、输出电压、输出电流。效率等于输出功率除以输入功率。实际测下来，TPS63020在电池电压3.7V、输出5V/0.8A左右时，效率大约在85%上下，负载太轻或者太重都会下降。如果效率明显偏低，优先看电感DCR和SW节点波形。

用示波器测SW节点波形能看出很多问题。正常工作时SW点应该是一个方波，频率稳定，占空比随输入电压变化。如果波形上有严重振铃，说明回路寄生电感大，需要调整布局，或者在SW节点加一个RC吸收电路。如果占空比不断跳变，可能是芯片在切换Buck和Boost模式，属于正常现象。异常波形处理完后再进行满载老化测试，连续跑半小时看芯片温度和输出电压稳定性，这样一套板才算可靠。

6. 实测中的三个坑，希望你不用重踩

6.1 满载掉压：罪魁祸首往往是电感饱和电流不够

有一次我给板子接1A负载，输出电压直线从5.0V跌到4.2V，芯片还烫得厉害。一开始以为是芯片坏了，后来查手册发现SW引脚电流限制触发得过于频繁，再一查才发现电感是便宜的铁氧体电感，规格书上饱和电流只有800mA。电感饱和后相当于失去储能能力，开关管导通时相当于直接把输入短路到大电感，电感电流飙升，芯片自然进入限流保护，输出就保不住。

解决方式很简单，换成饱和电流大于2.5A的电感，问题立刻消失。实际项目里，这类“满载掉压”问题有八成都和电感有关，而不是芯片本身。所以选电感时一定要看规格书里的饱和电流曲线，有些电感虽然标称电流2A，但实际在1.5A时感值已经衰减了50%，这时候纹波会变大，输出纹波也会变大。

6.2 轻载啸叫：不能只怪电感，先看工作模式和反馈电阻

板子在100mA以下轻载运行时发出吱吱声，这是很多开关电源的通病。啸叫来源主要是电感或陶瓷电容在特定频率下产生机械振动。如果芯片工作在PFM模式，开关频率会随着负载变化掉到人耳可听范围内，比如20kHz以下，这时候电感线圈或电容就会发声。

解决办法是优先确认芯片是不是处于轻载脉冲模式。TPS63020的PS/SYNC引脚接低电平时启用省电模式，轻载时会丢脉冲，容易啸叫；把PS/SYNC拉高切换到强制PWM模式，开关频率固定到2.4MHz，超出人耳范围，啸叫就会消失，代价是轻载静态电流变高。另外，反馈电阻如果阻值取得特别大，比如R2取1MΩ，FB引脚极其容易耦合开关噪声，也可能引起低频抖动。所以反馈电阻不要一味求大，100kΩ附近是一个平衡点。

6.3 电池电压接近输出电压时，输出反复波动

这个现象可能出现在电池满电4.2V、目标输出5V时，虽然升压比只有1.19，但某些Buck-Boost芯片在切换Buck和Boost模式的边界上，控制算法切换不及时，会看到输出电压出现周期性小脉冲波动，或者SW点波形出现打嗝。TPS63020在不同输入电压下会做模式切换，如果切换判断阈值附近有噪声，就可能反复横跳。

我在实际调试中处理过两次这种问题，一次是输入走线太细、电池电压纹波在模式切换时跳动，在VIN引脚并一颗10uF陶瓷电容后解决；另一次是输出电容偏小，在VOUT引脚额外并一颗22uF电容后解决。总体来说，保证输入输出电容都在推荐值以上，并且把芯片的反馈环路尽量干净，这个现象很少出现。如果仍然存在，利用PS/SYNC强制PWM模式通常也能改善。

最后再分享一个小技巧：做支撑实验时，可以在输出端临时串一个0.5Ω的电阻再并一个470uF电解电容，观察上电瞬间出现过冲。很多电源在负载切换时会有几十毫秒的振铃，如果这个振铃幅度超过5.5V，后级负载可能扛不住。调这个板子时，我习惯把输出电容控制在22uF到47uF之间，既保证稳定，也避免启动时充电电流过大导致过冲，这个小原则在后续几版电源设计里帮我省了不少返工时间。