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設計降壓轉換器并不是件輕松的工作。許多使用者都希望轉換器是一個(gè)盒子，一端輸入一個(gè)直流電壓，另一端輸出另一個(gè)直流電壓。這個(gè)盒子可以有很多形式，可以是降階來(lái)產(chǎn)生一個(gè)更低的電壓，或是升壓來(lái)產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓。還有很多特殊的選項，如升降壓、反激和單端初級電感轉換器(SEPIC)，這是一種能讓輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓的DC/DC轉換器。如果一個(gè)系統采用交流電工作，第一個(gè)AC /DC模塊應當產(chǎn)生系統所需的最高的直流電壓。因此，使用最廣的器件是降壓轉換器。 使用開(kāi)關(guān)穩壓器的降壓轉換器具有所有轉換器當中最高的效率。高效率意味著(zhù)轉換過(guò)程中的能量損耗更少，而且能簡(jiǎn)化熱管理。 圖1顯示了一種降壓開(kāi)關(guān)穩壓器的基本原理，即同步降壓轉換器�！巴浇祲骸敝傅氖�MOSFET用作低邊開(kāi)關(guān)。相對應的，標準降壓穩壓器要使用一個(gè)肖特基二極管作為低邊開(kāi)關(guān)。與標準降壓穩壓器相比，同步降壓穩壓器的主要好處是效率更高，因為MOSFET的電壓降比二極管的電壓降要低。 
圖1，同步降壓轉換器的基本原理 低邊和高邊MOSFET的定時(shí)信息是由脈寬調制(PWM)控制器提供的�？刂破鞯妮斎胧莵�(lái)自輸出端反饋回來(lái)的電壓。這個(gè)閉環(huán)控制使降壓轉換器能夠根據負載的變化調節輸出。PWM模塊的輸出是一個(gè)用來(lái)升高或降低開(kāi)關(guān)頻率的數字信號。該信號驅動(dòng)一對MOSFET。信號的占空比決定了輸入直接連到輸出的導通時(shí)間的百分比。因此，輸出電壓是輸入電壓和占空比的乘積。 上面提到的控制環(huán)路使降壓轉換器能夠保持一個(gè)穩定的輸出電壓。這種環(huán)路有幾種實(shí)現方法。最簡(jiǎn)單的轉換器使用的是電壓反饋或電流反饋。這些轉換器很耐用，控制方式很直接，而且性?xún)r(jià)比很好。由于降壓轉換器開(kāi)始用于各種應用中，這種轉換器的一些弱點(diǎn)也開(kāi)始暴露出來(lái)。以圖形卡的供電電路為例。當視頻內容變化時(shí)，降壓轉換器上的負載也會(huì )變化。供電系統能應付各種負載變化，但在輕負載條件下，轉換效率降得很快。如果用戶(hù)關(guān)心的是效率，就需要有更好的降壓轉換器方案。 一種改進(jìn)方法是所謂的磁滯控制，Intersil的ISL62871就是采用這種控制方法的器件。轉換效率與負載的曲線(xiàn)如圖2所示。這些轉換器是針對最差工作條件設計的，因此輕負載不是持續的工作條件。這些DC/DC轉換器對負載波動(dòng)變化的適應性更好，并且不會(huì )嚴重影響系統效率。
圖2：Vout=1.1V時(shí)ISL62871的負載與效率曲線(xiàn)。 選擇開(kāi)關(guān)頻率 盡管器件的開(kāi)關(guān)頻率有時(shí)是固定的，還是有必要討論開(kāi)關(guān)頻率的問(wèn)題，主要的權衡因素是效率。簡(jiǎn)而言之，MOSFET有確定的導通和關(guān)斷時(shí)間。當頻率增加時(shí)，過(guò)渡時(shí)間在總時(shí)間中所占的百分比會(huì )增加。結果是：效率降低了。如果效率是最重要的設計目標，就需要考慮降低開(kāi)關(guān)頻率。如果系統效率足夠高，就可以采用更高的開(kāi)關(guān)頻率。頻率更高，就可以使用更小的外部無(wú)源器件，即輸出電感和電容。 外部器件 設計分立解決方案是相當有難度的，大約需要40個(gè)器件，這是個(gè)需要額外付出大量努力的復雜工作。在設計電壓模式降壓控制器時(shí)，外部器件和其寄生效應對系統性能起了很大的決定作用。在討論每種器件時(shí)，我們再詳加敘述。 采用這種特殊降壓轉換器時(shí)，我們必須選擇5個(gè)額外器件，包括輸入電容、輸出電容、輸出電感，高邊和低邊MOSFET。選擇輸出電感器時(shí)，要滿(mǎn)足輸出紋波的要求，以及減小PWM對瞬態(tài)負載的響應時(shí)間。電感值的下限是由紋波要求確定的。在尋找最小(可能也是最便宜的)電感器之前，要記住的一點(diǎn)是，電感并不是完美的器件。實(shí)際的電感器有飽和等級。飽和級別必須高于系統中的峰值電流，才能設計出成功的產(chǎn)品。有經(jīng)驗的設計者還明白，感值并不是不隨電流變化的常量。事實(shí)上，流過(guò)器件的電流變大，感值會(huì )降低的。請核實(shí)電感器的數據表，確保你所選擇的感值對系統中的峰值電流是足夠的。在更大層面上可能犯的錯誤是選擇最好的電感，雖然小心謹慎還是必要的。更大的感值可以減少輸出紋波，但也會(huì )限制壓擺率。最終，大電感會(huì )限制對負載瞬態(tài)的響應時(shí)間。因此在選擇電感器時(shí)，是選擇在更低的峰峰值紋波電流條件下更安靜的輸出，還是需要系統能夠對瞬態(tài)事件做出快速的響應，是需要做出明確的折衷。 輸入電容負責吸收高邊MOSFET輸入電流的交流分量。因此，其RMS電流容量必須足夠大，才能處理由高邊MOSFET汲取的交流分量。由于質(zhì)量和低溫度系數，陶瓷電容器可以對高頻分量進(jìn)行去耦。降壓電容器提供更低頻率的RMS電流，這取決于占空比(當系統的工作占空比比50%越大，RMS電流就越大)。降壓電容可以是幾個(gè)多層陶瓷電容器。然而在低成本應用中，通常使用幾個(gè)并聯(lián)的電解電容。如果是采用表面貼裝，可以選固態(tài)鉭電容用作降壓電容，但是必須仔細核對電容的浪涌電流等級(浪涌電流通常出現在啟動(dòng)時(shí))。在選擇降壓轉換器系統中的任何電容器時(shí)，需要尋找具有小等效串聯(lián)電容(ESL)、小等效串聯(lián)電阻(ESR)，最后是所需的總電容。還有，就是根據約算選擇最優(yōu)的器件。對于電容電壓等級，還有一點(diǎn)需要注意。為減少難以發(fā)現的故障，可以選擇電壓等級是輸入電壓的 1.2～1.3倍的電容，也就是說(shuō)，電壓要跨越輸入電壓的范圍。 在出現瞬態(tài)變化期間，輸出電容必須對輸出進(jìn)行濾波，再向負載提供電流。有趣的是，等效串聯(lián)電容(ESR)和電壓等級比實(shí)際容值對選擇什么樣的電容器影響更大。請注意，來(lái)自電感的峰峰值電流紋波會(huì )通過(guò)輸出電容器的 ESR，轉換成峰峰值電壓紋波。由于系統可能對輸出電壓紋波有限制，選擇一款最小化ESR的電容(或一組并聯(lián)電容器)就變得十分重要。當然，電容必須有足夠的電壓等級。根據這些要求，就可以從供應商的電容清單中選出最合適的方案。最后要注意的一點(diǎn)是，要對ESR數據加以更多的關(guān)注，因為數據表里的ESR數據可能并不是在你所選用的開(kāi)關(guān)頻率下得出的。請檢查數據表，查看調整過(guò)的ESR數值。 一般根據Rds(on)、柵極電荷和熱管理需求來(lái)選擇MOSFET。查看幾家制造商的數據表，可以選擇像Infineon BSC050N03LS這樣的器件，該器件的柵極電荷為35nC，高邊MOSFET的Rds(on)為5mΩ。對應地，可以選擇Rds(on)為 1.6mΩ的低邊MOSFET(BSC016)。 使環(huán)路閉合 前面已經(jīng)討論過(guò)，輸出要反饋到輸入端，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)補償環(huán)路。補償的方式有很多種，比如Type I、Type II和Type III。Type I是單極點(diǎn)方案，Type II是帶有一個(gè)零點(diǎn)的雙極點(diǎn)方案，Type III是帶有兩個(gè)零點(diǎn)的三極點(diǎn)方案。每種方案的元器件數量都比前一種要多，不過(guò)也使得設計靈活性更好。從性能考慮，通常將這個(gè)環(huán)路的帶寬設置為大約是開(kāi)關(guān)頻率的四分之一。環(huán)路頻率與實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率重疊得越多，環(huán)路響應就越快。此外，要確保相位裕量大于30°，小于180°，這是一個(gè)典型的穩定性標準。 電壓模式轉換器的設計流程與磁滯降壓轉換器的流程類(lèi)似。幸好，高質(zhì)量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應不那么重要。其他流程也是類(lèi)似的。 下面對設計降壓轉換器的過(guò)程稍加總結。選擇完控制器IC后，再選擇相應的外部器件。對每種選擇方案來(lái)說(shuō)，參數的重要程度是不一樣的。選定MOSFET、輸出電感、輸入和輸出電容后，再設計補償電路。 人們已經(jīng)做了大量工作來(lái)設計一款良好的降壓轉換器，而且現在已經(jīng)有了集成度更高的版本。有些設計集成了MOSFET，有些設計集成了補償電路，還有的集成了輸出電感器，比如Intersil的ISL8201M。用戶(hù)所需要的只是設定輸出電壓的電阻、輸入電容和輸出電容，這對忙碌的系統設計者來(lái)說(shuō)的確是個(gè)好消息。 作者：Intersil公司Tamara Schmitz |
