提升DC-DC降压转换器性能

2万 · 2014-12-27 23:29

作为电源设计工程师的我们都知道消费类电子行业应用最普及的转换器之一是DC-DC降压转换器。简而言之，同步降压转换器用于将电压从较高的电平降至较低的电平。随着业界转向更高性能的平台，电源转换器的能效成为设计的一项关键考虑因素。因此，重要的是理解同步降压转换器的基础知识，以及怎样恰当地选择电路元件。

其实根据书本上的概念来说同步降压转换器的概念简单，它产生低于输入电压的稳压电压，可以提供大电流，同时将功率损耗降至最低。同步降压转换器包含2颗功率MOSFET、1颗输出电感及1颗输出电容。此特定降压拓扑结构的名称来源于它的2颗功率MOSFET的控制方法；导通/关断(on/off)控制被同步，以提供经过稳压的输出电压，并防止2颗MOSFET同时导通。

同步降压转换器电路图

2万 · 2014-12-27 23:29

由上图的同步降压转换电路图显示来说，我们可以了解到高边MOSFET(Q1)直接连接至电路的输入电压。当Q1导通时，电流通过它提供给负载。在此期间，低边MOSFET(Q2)关断，流过电感的电流增加，为电感电容(LC)滤波器充电。当Q1关断时，Q2导通，此时电流通过它提供给负载。在此期间，渡过电感的电流减小，使LC滤波器放电。当两颗MOSFET都关断时，低边MOSFET提供额外功能，即通过本体二极管对开关节点电压来钳位，以防止高边晶体管首先关断时开关电压(VSW)升至太高的负值。开关节点电压被LC输出段弄得更平顺，从而在输出端产生稳压直流电压。两颗MOSFET被同步控制以防止击穿(shoot-through)，而当高边及低边MOSFET同时处于导通状态时，产生直接对地短路，会发生击穿现象。高边MOSFET导通时间决定了电路的占空比(duty cycle)。如果占空比等于1，那么高边MOSFET在全部占空比均处于导通状态，输出电压等于输入电压。占空比为0.1表示高边MOSFET仅有10%时间导通，产生的输出电压约为输入电压的10%。

2万 · 2014-12-27 23:30

在实际的电路设计中可以了解降压转换器功率损耗受多种因素影响，包括功率MOSFET输出段、控制器/驱动器、反馈回路及转换器本身的布线。大多数降压转换器设计的占空比小于0.5，而计算机及服务器市场的降压转换器标准占空比是0.1至0.2。设计平台正转向更高开关频率，能够减小转换器尺寸及外形因数。同时，转换器必须提供更高性能及更高能效。输出段性能大幅影响降压转换器整体性能。因此，重要的是针对特定应用优化电感及电容选择。

2万 · 2014-12-27 23:30

下面我们来说一说关于同步降压转换器的输出段由电感及电容组成。它储存及为负载提供能量，使开关节点电压变得平顺以产生恒定输出电压。电感选择直接影响电感电流中的电流纹波的量，以及降压转换器本身的电流能力。不同制造商制造的电感在材料及电感值方面会有差异，公差通常为±20%。电感包含固有的直流阻抗(即DCR)，会影响输出段的性能。将DCR降至最低，即提升转换器的整体性能。对于要求大负载电流的应用而言，建议选择带低DCR的电感。电感值较低的电感DCR也较低，但在电感与纹波电流之间有折衷;电感越低，流过电感的纹波电流越大。必须达到最低电感，以符合特定应用电路的纹波电流要求。输出电容直接影响转换器输出电压、输出反馈回路的响应时间，以及负载电流变化时出现的输出电压过冲的量。直流输出端存在纹波电压，因为流过电感及电容的电流上升及下降。增加电容会减小存在的纹波电压的量。然而，在电容与输出回应之间存在折衷。增加电容减小输出电压纹波及输出电压过冲，但延长了使输出电压回路回应负载变化所需的时间。因此，必须考虑最小电容，以符合转换器的纹波电压及电压过冲要求，同时维持足以快速回应负载变化的反馈回路。电容也包含寄生串行电阻，也就是等效串行电阻(ESR)。ESR影响输出电压纹波及转换器整体能效。因此，设计人员正转向低ESR设计。表面贴装陶瓷电容在要求高性能、小外形因子的系统中正变得盛行。使用并行的多颗电容使设计人员能够提供系统要求的电容，同时大幅减小等效的ESR。

2万 · 2014-12-27 23:31

我们在设计降压转换器输出段时，建议从电感开始。最小电感根据目标纹波电流及其它应用电路规范来计算。一旦选择好了电感，就可以确定最小电容。在电感与纹波电流之间存在折衷。目标纹波电流越少，就相当于最小电感越大。为了最佳化输出滤波器性能，建议设定20%至40%的目标电感纹波电流。需要计算最大ESR及最小电容，从而在高边MOSFET关断时维持稳压转出电压，以及将输出电压上存在的纹波的量降至最低。输出电压纹波可以表达为峰值-峰值电压，或者以电容电压比(CVR)的形式来表述。输出电容值及ESR越大，输出回应负载变化所需经历的时间就越长。ESR也影响输出电压纹波。

2万 · 2014-12-27 23:32

在LC的设计中可以说当高边MOSFET导通时，流过电感及电容的电流增加，输出电压也增加。当高边MOSFET关断时，流过电感及电容的电流下降，输出电压也下降。为了提供恒定输出电压，转出电流增加的量必须等于电容电流减小的量。因此，流过电容的稳态电流为0A。除了顾及输出纹波电压及电感纹波电压对输出电容的影响，也必须顾及输出段的瞬时负载回应能力。同步降压转换器必须能够回应负载电流变化，同时维持稳压输出电压。当负载电流从较高值变为较低值时，输出电压将暂时增加，直到转换器能够调节占空比，以使输出电压返回至它的稳压值。此暂时输出电压增加称作输出电压过冲。当负载从最大负载过渡到空载时，就出现最坏情况过冲。输出电容必须能够处理此瞬时条件。输出电压瞬时回应与输出电压纹波之间存在折衷。此两项因素必须平衡取舍以满足特定应用需求。选择电容时一个好的经验法则是选择值比计算的最小电容高最少20%的输出电容，从而顾及到电压公差。降压转换器输出滤波器设计影响输出电流纹波、输出电压纹波、输出电压过冲以及反馈回路的瞬时回应。元件选择也影响转换器的能效。影响同步降压转换器能效的最大因素是输出电感选择。电感值及DCR都会大幅影响性能。

2万 · 2014-12-27 23:32

由以上我们可以得出的结论是：在本电路设计中同步降压转换器的输出段在转换器性能方面发挥重要作用。为了达到目标纹波电流、输出纹波电压及输出过冲，必须选择超过最小电感值和最小电容值的电感和电容。当针对特定应用选择电感及电容时，还必须顾及其它因素。输出段可以通过针对它将工作的特定应用标准来设计而最佳化。电感值在输出纹波电流以及转换器的能效性能方面发挥重要作用。此外，输出电容较高时，输出电压纹波也会改善。转换器的能效受使用的电感的DCR大幅影响。电感与电感饱和电流之间存在折衷。因此，为了符合或超越纹波电流要求，电感必须大于计算的最小电感值，而电感饱和电流必须大于最大负载时转换器的峰值电流。电容也在同步降压转换器性能方面发挥重要作用。输出电容直接影响电压纹波的量及输出段的电压过冲。然而，电容对转换器的能效性能的影响极小。

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