發布日期：2022-10-09 點擊率：108
【導讀】消費電子行業應用最普及就是DC-DC降壓轉換器。同步降壓轉換器的主要功能是將電壓從高電平降至低電平。伴隨著業界發展向更高的性能，轉換器就成為設計的關鍵。本文主要講述了同步降壓轉換器的基礎知識以及元器件的選型。
其實根據書本上的概念來說同步降壓轉換器的概念簡單，它產生低于輸入電壓的穩壓電壓，可以提供大電流，同時將功率損耗降至最低。同步降壓轉換器包含2顆功率MOSFET、1顆輸出電感及1顆輸出電容。此特定降壓拓撲結構的名稱來源于它的2顆功率MOSFET的控制方法；導通/關斷(on/off)控制被同步，以提供經過穩壓的輸出電壓，并防止2顆MOSFET同時導通。
同步降壓轉換器電路圖
由上圖的同步降壓轉換電路圖顯示來說，我們可以了解到高邊MOSFET(Q1)直接連接至電路的輸入電壓。當Q1導通時，電流通過它提供給負載。在此期間，低邊MOSFET(Q2)關斷，流過電感的電流增加，為電感電容(LC)濾波器充電。當Q1關斷時，Q2導通，此時電流通過它提供給負載。在此期間，渡過電感的電流減小，使LC濾波器放電。當兩顆MOSFET都關斷時，低邊MOSFET提供額外功能，即通過本體二極管對開關節點電壓來鉗位，以防止高邊晶體管首先關斷時開關電壓(VSW)升至太高的負值。開關節點電壓被LC輸出段弄得更平順，從而在輸出端產生穩壓直流電壓。
兩顆MOSFET被同步控制以防止擊穿(shoot-through)，而當高邊及低邊MOSFET同時處于導通狀態時，產生直接對地短路，會發生擊穿現象。高邊MOSFET導通時間決定了電路的占空比(duty cycle)。如果占空比等于1，那么高邊MOSFET在全部占空比均處于導通狀態，輸出電壓等于輸入電壓。占空比為0.1表示高邊MOSFET僅有10%時間導通，產生的輸出電壓約為輸入電壓的10%。
在實際的電路設計中可以了解降壓轉換器功率損耗受多種因素影響，包括功率MOSFET輸出段、控制器/驅動器、反饋回路及轉換器本身的布線。大多數降壓轉換器設計的占空比小于0.5，而計算機及服務器市場的降壓轉換器標準占空比是0.1至0.2。設計平臺正轉向更高開關頻率，能夠減小轉換器尺寸及外形因數。同時，轉換器必須提供更高性能及更高能效。輸出段性能大幅影響降壓轉換器整體性能。因此，重要的是針對特定應用優化電感及電容選擇。
下面我們來說一說關于同步降壓轉換器的輸出段由電感及電容組成。它儲存及為負載提供能量，使開關節點電壓變得平順以產生恒定輸出電壓。電感選擇直接影響電感電流中的電流紋波的量，以及降壓轉換器本身的電流能力。不同制造商制造的電感在材料及電感值方面會有差異，公差通常為±20%。電感包含固有的直流阻抗(即DCR)，會影響輸出段的性能。將DCR降至最低，即提升轉換器的整體性能。對于要求大負載電流的應用而言，建議選擇帶低DCR的電感。電感值較低的電感DCR也較低，但在電感與紋波電流之間有折衷;電感越低，流過電感的紋波電流越大。必須達到最低電感，以符合特定應用電路的紋波電流要求。輸出電容直接影響轉換器輸出電壓、輸出反饋回路的響應時間，以及負載電流變化時出現的輸出電壓過沖的量。直流輸出端存在紋波電壓，因為流過電感及電容的電流上升及下降。增加電容會減小存在的紋波電壓的量。
然而，在電容與輸出回應之間存在折衷。增加電容減小輸出電壓紋波及輸出電壓過沖，但延長了使輸出電壓回路回應負載變化所需的時間。因此，必須考慮最小電容，以符合轉換器的紋波電壓及電壓過沖要求，同時維持足以快速回應負載變化的反饋回路。電容也包含寄生串行電阻，也就是等效串行電阻(ESR)。ESR影響輸出電壓紋波及轉換器整體能效。因此，設計人員正轉向低ESR設計。表面貼裝陶瓷電容在要求高性能、小外形因子的系統中正變得盛行。使用并行的多顆電容使設計人員能夠提供系統要求的電容，同時大幅減小等效的ESR。
我們在設計降壓轉換器輸出段時，建議從電感開始。最小電感根據目標紋波電流及其它應用電路規范來計算。一旦選擇好了電感，就可以確定最小電容。在電感與紋波電流之間存在折衷。目標紋波電流越少，就相當于最小電感越大。為了最佳化輸出濾波器性能，建議設定20%至40%的目標電感紋波電流。需要計算最大ESR及最小電容，從而在高邊MOSFET關斷時維持穩壓轉出電壓，以及將輸出電壓上存在的紋波的量降至最低。輸出電壓紋波可以表達為峰值-峰值電壓，或者以電容電壓比(CVR)的形式來表述。輸出電容值及ESR越大，輸出回應負載變化所需經歷的時間就越長。ESR也影響輸出電壓紋波。
在LC的設計中可以說當高邊MOSFET導通時，流過電感及電容的電流增加，輸出電壓也增加。當高邊MOSFET關斷時，流過電感及電容的電流下降，輸出電壓也下降。為了提供恒定輸出電壓，轉出電流增加的量必須等于電容電流減小的量。因此，流過電容的穩態電流為0A。除了顧及輸出紋波電壓及電感紋波電壓對輸出電容的影響，也必須顧及輸出段的瞬時負載回應能力。同步降壓轉換器必須能夠回應負載電流變化，同時維持穩壓輸出電壓。當負載電流從較高值變為較低值時，輸出電壓將暫時增加，直到轉換器能夠調節占空比，以使輸出電壓返回至它的穩壓值。此暫時輸出電壓增加稱作輸出電壓過沖。當負載從最大負載過渡到空載時，就出現最壞情況過沖。輸出電容必須能夠處理此瞬時條件。輸出電壓瞬時回應與輸出電壓紋波之間存在折衷。
此兩項因素必須平衡取舍以滿足特定應用需求。選擇電容時一個好的經驗法則是選擇值比計算的最小電容高最少20%的輸出電容，從而顧及到電壓公差。降壓轉換器輸出濾波器設計影響輸出電流紋波、輸出電壓紋波、輸出電壓過沖以及反饋回路的瞬時回應。元件選擇也影響轉換器的能效。影響同步降壓轉換器能效的最大因素是輸出電感選擇。電感值及DCR都會大幅影響性能。
由以上我們可以得出的結論是：在本電路設計中同步降壓轉換器的輸出段在轉換器性能方面發揮重要作用。為了達到目標紋波電流、輸出紋波電壓及輸出過沖，必須選擇超過最小電感值和最小電容值的電感和電容。當針對特定應用選擇電感及電容時，還必須顧及其它因素。輸出段可以通過針對它將工作的特定應用標準來設計而最佳化。電感值在輸出紋波電流以及轉換器的能效性能方面發揮重要作用。此外，輸出電容較高時，輸出電壓紋波也會改善。轉換器的能效受使用的電感的DCR大幅影響。電感與電感飽和電流之間存在折衷。因此，為了符合或超越紋波電流要求，電感必須大于計算的最小電感值，而電感飽和電流必須大于最大負載時轉換器的峰值電流。電容也在同步降壓轉換器性能方面發揮重要作用。輸出電容直接影響電壓紋波的量及輸出段的電壓過沖。然而，電容對轉換器的能效性能的影響極小。
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