在計算、通信和消費應用系統(tǒng)中，DC-DC 系統(tǒng)負責轉(zhuǎn)換、管理和分配能量，為圖形卡、處理器芯片和內(nèi)存等器件供電。隨著對更高性能和功能性的需求不斷增加，這些器件的耗電量比以往更甚。計算和消費電子產(chǎn)品的設計人員不得不在功率預算和效率、成本及性能之間進行權衡。為此，人們一直在就如何評估開關電路以及其所采用的功率晶體管器件展開研究，同時也在 MOSFET 器件和先進的熱封裝技術方面取得進展。尤其是計算產(chǎn)品意味著有了規(guī)范要求。延長電池壽命也是當今便攜設備用戶的一個呼聲。因此，延長電池壽命、減小波形因數(shù)，以及新的政府法令要求，都在促使設計人員仔細選擇電源部件，尤其是板上同步降壓轉(zhuǎn)換器。
但是效率低且組件溫升過高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能是一個令人頭疼的問題——如果我們必須重新設計電路或修改電路板布局，則更是如此。
為避免此類問題，深入了解轉(zhuǎn)換器的工作模式和功率損耗似乎是明智之舉。盡管易于使用的轉(zhuǎn)換器設計和仿真工具提供了一種快速選擇組件、繪制效率曲線和估計轉(zhuǎn)換器內(nèi)功率損耗的方法，但特定功率級的細微差別及其各種工作模式往往仍被誤解。識別轉(zhuǎn)換器的模式并剖析預測功率損耗所需的表達式可以讓我們全面了解 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電氣和熱行為?，F(xiàn)在以LM5175為例：
LM5175是一款同步四開關buck-boost DC/DC控制器，能夠在輸入電壓處、之上或之下調(diào)節(jié)輸出電壓。LM5175可在3.5 V至42 V（最大60 V）的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以支持多種應用。
LM5175在降壓和升壓操作模式下均采用電流模式控制，以實現(xiàn)卓越的負載和線路調(diào)節(jié)。開關頻率由外部電阻器編程，可與外部時鐘信號同步。
該設備還具有可編程軟啟動功能，并提供保護功能，包括逐周期限流、輸入欠壓鎖定（UVLO）、輸出過壓保護（OVP）和熱關機。此外，LM5175還具有可選的連續(xù)傳導模式（CCM）或不連續(xù)傳導模式（DCM）操作、可選的平均輸入或輸出電流限制、可選的用于降低峰值EMI的擴頻，以及在持續(xù)過載條件下可選的hiccup模式保護。
圖 1：具有峰值/谷電流模式控制器的四開關同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。功率級大電流連接用紅色表示。
功率級操作模式
圖 1 是具有 4.5V-42V 輸入范圍和 12V 輸出的四開關降壓-升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的示意圖。如本視頻演示中所述，該轉(zhuǎn)換器具有三種特定的操作模式，具體取決于相對于穩(wěn)壓輸出電壓設定點的輸入電壓：
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V IN > V OUT的降壓模式。
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V IN < V OUT的升壓模式。
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V IN接近 V OUT的降壓-升壓轉(zhuǎn)換模式。
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使用等效電路將功率級建模為降壓級和升壓級的級聯(lián)連接，我們可以根據(jù)工作模式找到每個金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 的相關占空比。這是在輸入電壓和輸出電流范圍內(nèi)獲得效率和功率損耗的第一步。
轉(zhuǎn)換器功率損耗
轉(zhuǎn)換器功率損耗是最顯著的組件功率損耗，并將在此處對其進行總結。我匯總了損耗以衡量它們對轉(zhuǎn)換器效率的影響；見圖 2。
· 功率 MOSFET 損耗：
· 與 R DS(on)相關的傳導損耗。
· 開關損耗，包括體二極管反向恢復
· 體二極管傳導造成的死區(qū)時間損失。
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電感銅損和磁芯損耗。
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分流電阻損耗。
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柵極驅(qū)動器損耗。
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脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器偏置電源和靜態(tài)損耗。
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圖 2：四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器效率和組件功率損耗擊穿與輸入電壓的關系，V OUT = 12V。
對這些損耗有本能的理解——尤其是對于需要減小尺寸的高密度設計——不僅有助于選擇組件，而且為優(yōu)化熱設計和印刷電路板 (PCB) 布局鋪平了道路。我使用提供 12V、6A 負載的400kHz 四開關降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設計測量了圖 2 中的曲線。該設計在 6:1 的輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了超過 95% 的效率。在降壓-升壓轉(zhuǎn)換模式下，當 V IN等于 V OUT時達到峰值效率。
顯然，在推動更小尺寸 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的過程中，我們可以成功地將通常相互排斥的兩個特性結合起來：更低的組件溫度和更高的可用功率。
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