线性稳压器和开关模式电源的基本概念

1万 · 2014-10-8 23:34

上面的分析表明：续流二极管产生3.62W的功率损耗，远远高于MOSFET Q1和电感器L的传导损耗。如需进一步改善效率，可用一个MOSFET Q2来替代二极管D1，如图9所示。这种转换器被称为同步降压型转换器。Q2的栅极需要与Q1栅极互补的信号，也就是Q2只在Q1断开的时候导通。同步降压型转换器的传导损耗为：

如果还把一个10mΩ RDS(ON) MOSFET用于Q2，则同步降压型转换器的传导损耗和效率为：

1万 · 2014-10-8 23:35

上例表明：同步降压型转换器的效率高于传统的降压转换器，特别是对于那些占空比很小和二极管D1传导时间很长的低输出电压应用。

图9：同步降压型转换器及其晶体管栅极信号。

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AC开关损耗

除了DC传导损耗之外，还存在其他由非理想功率组件引起并与AC/开关操作相关的功率损耗。

1. MOSFET开关损耗。实际的晶体管其接通和关断需要时间。所以，在接通和关断瞬变期间存在电压和电流重叠，这会产生AC开关损耗。图10示出了同步降压型转换器中的MOSFET Q1的典型开关波形。顶端FET Q1的寄生电容器CGD之充电和放电以及电荷QGD决定了大部分的Q1开关时间和相关损耗。在同步降压转换器中，底端FET Q2的开关损耗很小，这是因为Q2始终在其体二极管导电之后接通，而在其体二极管导电之前则被关断，同时体二极管两端的电压降很低。然而，Q2的体二极管反向恢复电荷也会增加顶端FET Q1的开关损耗，并产生开关电压振铃和EMI噪声。(12)式表明：控制FET Q1的开关损耗与转换器的开关频率fS成比例。Q1的能量损耗EON和EOFF之准确计算并不简单，不过可以在MOSFET供应商的应用手册里找到。

1万 · 2014-10-8 23:35

图10：降压转换器中的顶端FET Q1的典型开关波形和损耗。

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2. 电感器磁芯损耗PSW_CORE。实际的电感器也具有一个与开关频率成某种函数关系的AC损耗。电感器AC损耗主要源自磁芯损耗。在高频SMPS中，磁芯材料可能是铁粉或铁氧体。一般来说，铁粉芯的饱和过程比较舒缓，但具有高的磁芯损耗，而铁氧体材料的饱和过程虽然较为急剧，但磁芯损耗较少。铁氧体是陶瓷铁磁材料，其具有一种由氧化铁与氧化锰或氧化锌的混合物构成的晶体结构。磁芯损耗主要是由于磁滞损耗引起的。磁芯或电感器制造商通常都提供了磁芯损耗数据，以便电源设计师估算AC电感器损耗之用。

3. 其他的AC相关损耗。其他与AC相关的损耗包括栅极驱动器损耗PSW_GATE(其等于VDRV•QG•fS)和死区时间(当顶端FET Q1和底端FET Q2均处于关断状态时)体二极管传导损耗，其等于(ΔTON+ΔTOFF)•VD(Q2)•fS。

总之，与开关操作相关的损耗包括：

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开关操作相关损耗的计算通常并不容易。开关操作相关损耗与开关频率fS成比例。在12VIN、3.3VO/10AMAX同步降压型转换器中，当开关频率为200kHz至500kHz时，AC损耗引起的效率损失大约为2%到5%。所以在满负载时的总效率约为93%，这远远好于LR或LDO电源。发热量或尺寸可缩减将近10倍。

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开关电源组件的设计考虑

开关频率优化

一般而言，较高的开关频率意味着较小尺寸的输出滤波器组件L和CO。因此，可以缩减电源的尺寸和成本。另外，较高的带宽还能改善负载瞬态响应。然而，较高的开关频率也意味着较高的AC相关功率损耗，这就需要采用较大的电路板空间或散热器来限制热应力。目前，对于≥10A的输出电流应用，大多数降压电源均工作于100kHz至1MHz~2MHz的频率范围。对于＜10A的负载电流，开关频率可高达几MHz。对于每款设计而言，其最佳频率都是谨慎权衡尺寸、成本、效率及其他性能参数之后得出的结果。

输出电感器的选择

在同步降压转换器中，电感器峰至峰纹波电流可采用下式计算：

1万 · 2014-10-8 23:36

对于一个给定的开关频率，低电感将产生大的纹波电流并导致大的输出纹波电压。大纹波电流还会增加MOSFET RMS电流和传导损耗。另一方面，高电感值意味着大的电感器尺寸，并有可能导致很高的电感器DCR和传导损耗。一般来说，当挑选电感器时，应选择10%~60%的峰至峰纹波电流与最大DC电流之比。电感器供应商通常规定了DCR、RMS(加热)电流和饱和电流额定值。应在供应商指定的最大额定值范围内设计电感器的最大DC电流和峰值电流，这一点是很重要。

功率MOSFET的选择

当选择用于降压转换器的MOSFET时，首先需确定其最大VDS额定值高于电源VIN(MAX)并具有足够的裕量。然而，不要选择额定电压过高的FET。例如：对于一个16VIN(MAX)电源，额定电压为25V或30V的FET就很适合。额定电压为60V的FET就过高了，因为FET的导通电阻常常随额定电压的提高而增大。其次，FET的导通电阻RDS(ON)和栅极电荷QG(或QGD)是两个最关键的参数。通常需要在栅极电荷QG与导通电阻RDS(ON)之间进行权衡取舍。一般而言，小硅芯片尺寸的FET具有低QG，但导通电阻RDS(ON)很高；而采用大硅芯片的FET则具有低RDS(ON)，但QG很大。在降压转换器中，顶端MOSFET Q1兼具传导损耗和AC开关损耗。Q1通常需要采用低QG FET，特别是在具有低输出电压和小占空比的应用中。低压侧的同步FET Q2具有小的AC损耗，因为它常常在其VDS电压接近于零时接通或关断。在此场合中，对于同步FET Q2而言，低RDS(ON)比QG更重要。当单个FET不能处理总功率时，可把多个MOSFET并联起来使用。

1万 · 2014-10-8 23:37

输入和输出电容器的选择

首先，应选择具有足够电压降额的电容器。

降压型转换器中的输入电容器具有脉冲开关电流和大的纹波。因此，应选择具有足够RMS纹波电流额定值的输入电容器以确保其寿命。在输入端上通常并联使用铝电解电容器和低ESR陶瓷电容器。

输出电容器不仅决定了输出电压纹波，而且也决定了负载瞬态性能。输出电压纹波可采用(15)式计算。就高性能应用而言，ESR和总电容对于最大限度地抑制输出纹波电压和优化负载瞬态响应都是十分重要的。通常，低ESR钽电容器、低ESR聚合物电容器和多层陶瓷电容器(MLCC)是上佳的选择。

1万 · 2014-10-8 23:37

合上反馈调节环路

对于开关模式电源来说还有另一个重要的设计阶段，就是采用某种负反馈控制方案来完成调节环路。与采用LR或LDO时相比，这常常是一项更具挑战性的任务。其需要很好地了解环路的运行方式和补偿设计，以利用一个稳定的环路来优化动态性能。

1万 · 2014-10-8 23:38

如上文所述，开关转换器的操作模式变化与接通或关断状态之间具有某种函数关系。它是一种分立和非线性系统。为采用线性控制的方法进行反馈环路的分析，需要线性小信号模型[1]。由于输出L-C滤波器的原因，占空比D至输出VO的线性小信号转移函数实际上是一个具有两个极点和一个零点的二阶系统，如(16)式所示。有两个位于输出电感器和电容器之谐振频率的极点。有一个由输出电容和电容器ESR决定的零点。

式中的SZ_ESR=2πfZ_ESR=1/ESR•CO，

1万 · 2014-10-8 23:38

电压模式控制与电流模式控制的比较

输出电压可以利用一个闭环系统进行调节，如图11所示。例如，当输出电压增加时，反馈电压VFB增加，而负反馈误差放大器的输出减小。于是占空比下降。因此，输出电压被拉回来以使VFB=VREF。误差运放的补偿网络可以是I类、II类或III类反馈放大器网络[4]。只有一个用于调节输出的控制环路。这种方案被称为电压模式控制。凌力尔特的LTC3775和LTC3861是典型的电压模式降压控制器。

图11：电压模式控制型降压转换器的方框图。

1万 · 2014-10-8 23:38

图12示出了一款采用LTC3775电压模式降压控制器的5V至26V输入、1.2V/15A输出同步降压型电源。由于LTC3775具有前沿PWM调制架构和非常低(30ns)的最小导通时间，因此对于将高电压汽车或工业电源降压转换到当今微处理器和可编程逻辑芯片所需之1.2V低电压的应用，该电源的运作良好。[9]大功率应用需要具均流功能的多相降压转换器。当采用电压模式控制时，需要一个额外的均流环路以在并联的降压通道之间平衡电流。用于电压模式控制的典型均流方法是“主-从”法。LTC3861就是这样的一款多相(PolyPhase)电压模式控制器。其非常低的±1.25mV电流检测失调可使并联相位之间的均流非常准确，以平衡热应力。[10]

图12：LTC3775电压模式同步降压电源可提供一个高降压比。

1万 · 2014-10-8 23:53

降压型转换器的小信号模型

如上文所述，开关转换器的操作模式变化与接通或关断状态之间具有某种函数关系。它是一种分立和非线性系统。为采用线性控制的方法进行反馈环路的分析，需要线性小信号模型[1]。由于输出L-C滤波器的原因，占空比D至输出VO的线性小信号转移函数实际上是一个具有两个极点和一个零点的二阶系统，如(16)式所示。有两个位于输出电感器和电容器之谐振频率的极点。有一个由输出电容和电容器ESR决定的零点。

式中的SZ_ESR=2πfZ_ESR=1/ESR•CO，

1万 · 2014-10-8 23:53

电压模式控制与电流模式控制的比较

输出电压可以利用一个闭环系统进行调节，如图11所示。例如，当输出电压增加时，反馈电压VFB增加，而负反馈误差放大器的输出减小。于是占空比下降。因此，输出电压被拉回来以使VFB=VREF。误差运放的补偿网络可以是I类、II类或III类反馈放大器网络[4]。只有一个用于调节输出的控制环路。这种方案被称为电压模式控制。凌力尔特的LTC3775和LTC3861是典型的电压模式降压控制器。

图11：电压模式控制型降压转换器的方框图。

1万 · 2014-10-8 23:53

图12示出了一款采用LTC3775电压模式降压控制器的5V至26V输入、1.2V/15A输出同步降压型电源。由于LTC3775具有前沿PWM调制架构和非常低(30ns)的最小导通时间，因此对于将高电压汽车或工业电源降压转换到当今微处理器和可编程逻辑芯片所需之1.2V低电压的应用，该电源的运作良好。[9]大功率应用需要具均流功能的多相降压转换器。当采用电压模式控制时，需要一个额外的均流环路以在并联的降压通道之间平衡电流。用于电压模式控制的典型均流方法是“主-从”法。LTC3861就是这样的一款多相(PolyPhase)电压模式控制器。其非常低的±1.25mV电流检测失调可使并联相位之间的均流非常准确，以平衡热应力。[10]

图12：LTC3775电压模式同步降压电源可提供一个高降压比。

1万 · 2014-10-8 23:54

电流模式控制采用两个反馈环路：一个与电压模式控制转换器之控制环路相似的外部电压环路，和一个负责把电流信号反馈至控制环路之中的内部电流环路。图13示出了峰值电流模式控制降压型转换器(其直接检测输出电感器电流)的概念方框图。当采用电流模式控制时，电感器电流由误差运放输出电压决定。电感器变成了一个电流源。于是，从运放输出VC至电源输出电压VO的转移函数变成了一个单极点系统。这大大简化了环路补偿。控制环路补偿与输出电容器ESR零点的相关性较低，因而可以使用全陶瓷输出电容器。

电流模式控制还有许多其他好处。如图13所示，由于峰值电感器电流以一种逐周期的方式受限于运放VC，因此电流模式控制型系统在过载条件下提供了一种准确度更高和速度更快的电流限制。浪涌电感器电流在启动期间也处于良好受控的状态。另外，当输入电压变化时电感器电流并不会快速改变，所以电源拥有上佳的电压瞬态性能。当多个转换器并联时，运用电流模式控制还可以非常容易地在电源之间分享电流，这一点对于采用多相降压型转换器来实现可靠的大电流应用而言是很重要的。一般说来，电流模式控制型转换器的可靠性要高于电压模式控制型转换器。

图13：电流模式控制型降压转换器的方框图。

电流模式控制电路解决方案必需精确地检测电流。电流检测信号通常是一个具有几十mV电平的小信号，其对开关噪声很敏感。因此，需要实施正确和谨慎的PCB布局。可通过检测流过一个检测电阻器的电感器电流、电感器DCR压降或MOSFET导电压降来完成电流环路。典型的电流模式控制器包括凌力尔特的LTC3851A和LTC3855。

1万 · 2014-10-8 23:55

恒定频率与恒定导通时间控制的比较

“电压模式控制与电流模式控制的比较”部分中的典型电压模式和电流模式方案具有由控制器内部时钟生成的恒定开关频率。这些恒定开关频率控制器可以容易地实现同步，对于大电流的多相降压控制器来说这是一项重要的特性。然而，如果负载升压瞬变刚好在控制FET Q1关断之后发生，则转换器必须等待整个Q1关断时间直到下一个周期开始以响应瞬变。在具有小占空比的应用中，最坏情况延迟接近一个开关周期。

在此类低占空比应用中，恒定导通时间谷值电流模式控制具有较短的延迟以响应负载升压瞬变。在稳态操作中，恒定导通时间降压转换器的开关频率几乎是固定的。假如遭遇瞬变，则开关频率能够快速改变以加快瞬态响应。因此，电源拥有了改善的瞬态性能，而且可以减小输出电容并降低其相关成本。

1万 · 2014-10-8 23:55

然而，在采用恒定导通时间控制时，开关频率有可能随电压或负载而改变。LTC3833是一款具有更精细的受控导通时间架构的谷值电流模式降压型控制器，该架构是恒定导通时间控制架构的一个变种，其不同之处是可通过控制导通时间而使开关频率在稳定阶段以及整个电压和负载情况下保持恒定。利用这种架构，LTC3833控制器可具有20ns的最小导通时间，并实现从高达38VIN至0.6VO的降压应用。该控制器可同步至一个频率范围为200kHz至2MHz的外部时钟。图14示出了一个具有4.5V至14V输入和1.5V/20A输出的典型LTC3833电源。[11]如图15所示，该电源能够对突发的高摆率负载瞬变做出快速响应。在负载升压瞬变期间，开关频率增加以提供更快的瞬态响应。而在负载降压瞬变过程中，占空比下降至零。所以，仅输出电感器限制电流摆率。除了LTC3833之外，LTC3838和LTC3839控制器也为多输出或多相应用提供了具快速瞬态响应的多相解决方案。

图14：采用LTC3833的快速、受控导通时间电流模式电源。

1万 · 2014-10-8 23:56

图15：LTC3833电源可在快速负载阶跃瞬变期间提供快速响应。

线性稳压器和开关模式电源的基本概念

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