如何设计高效率的降压转换器.pdfVIP

如何设计高效率的降压转换器 设计降压转换器并不是件轻松的工作。许多使用者都希望转换器是一个 盒子，一端输入一个直流电压，另一端输出另一个直流电压。这个盒子可以有 很多形式，可以是降阶来产生一个更低的电压，或是升压来产生一个更高的电 压。还有很多特殊的选项，如升降压、反激和单端初级电感转换器(SEPIC)，这 是一种能让输出电压大于、小于或等于输入电压的DC/DC转换器。如果一个系 统采用交流电工作，第一个AC/DC模块应当产生系统所需的最高的直流电压。 因此，使用最广的器件是降压转换器。 使用开关稳压器的降压转换器具有所有转换器当中最高的效率。高效率 意味着转换过程中的能量损耗更少，而且能简化热管理。 图1显示了一种降压开关稳压器的基本原理，即同步降压转换器。“同步降 压”指的是MOSFET用作低边开关。相对应的，标准降压稳压器要使用一个肖特 基二极管作为低边开关。与标准降压稳压器相比，同步降压稳压器的主要好处 是效率更高，因为MOSFET的电压降比二极管的电压降要低。 图1，同步降压转换器的基本原理 1 低边和高边MOSFET的定时信息是由脉宽调制(PWM)控制器提供的。控制 器的输入是来自输出端反馈回来的电压。这个闭环控制使降压转换器能够根据 负载的变化调节输出。PWM模块的输出是一个用来升高或降低开关频率的数字 信号。该信号驱动一对MOSFET。信号的占空比决定了输入直接连到输出的导通 时间的百分比。因此，输出电压是输入电压和占空比的乘积。 上面提到的控制环路使降压转换器能够保持一个稳定的输出电压。这种环路有 几种实现方法。最简单的转换器使用的是电压反馈或电流反馈。这些转换器很 耐用，控制方式很直接，而且性价比很好。由于降压转换器开始用于各种应用 中，这种转换器的一些弱点也开始暴露出来。以图形卡的供电电路为例。当视 频内容变化时，降压转换器上的负载也会变化。供电系统能应付各种负载变 化，但在轻负载条件下，转换效率降得很快。如果用户关心的是效率，就需要 有更好的降压转换器方案。 一种改进方法是所谓的磁滞控制，Intersil的ISL62871就是采用这种 控制方法的器件。转换效率与负载的曲线如图2所示。这些转换器是针对最差 工作条件设计的，因此轻负载不是持续的工作条件。这些DC/DC转换器对负载 波动变化的适应性更好，并且不会严重影响系统效率。 图2：Vout=1.1V时ISL62871的负载与效率曲线。 2 选择开关频率 尽管器件的开关频率有时是固定的，还是有必要讨论开关频率的问题， 主要的权衡因素是效率。简而言之，MOSFET有确定的导通和关断时间。当频率 增加时，过渡时间在总时间中所占的百分比会增加。结果是：效率降低了。如 果效率是最重要的设计目标，就需要考虑降低开关频率。如果系统效率足够 高，就可以采用更高的开关频率。频率更高，就可以使用更小的外部无源器 件，即输出电感和电容。 外部器件 设计分立解决方案是相当有难度的，大约需要40个器件，这是个需要额 外付出大量努力的复杂工作。在设计电压模式降压控制器时，外部器件和其寄 生效应对系统性能起了很大的决定作用。在讨论每种器件时，我们再详加叙 述。 采用这种特殊降压转换器时，我们必须选择5个额外器件，包括输入电 容、输出电容、输出电感，高边和低边MOSFET。选择输出电感器时，要满足输 出纹波的要求，以及减小PWM对瞬态负载的响应时间。电感值的下限是由纹波 要求确定的。在寻找最小(可能也是最便宜的)电感器之前，要记住的一点是