為你的DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇最佳轉(zhuǎn)換頻率

由于能小縮減輸出電容器和感應(yīng)器尺寸從而節(jié)省板空間，具有更快轉(zhuǎn)換頻率的直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器正變得越來(lái)越受歡迎。而另一方面，由于處理器內(nèi)核電壓降至1V以下，任務(wù)周期縮短了，在更快頻率下很難獲得低電壓，使得負(fù)載點(diǎn)電源的需求不斷增加。

很多電源IC供應(yīng)商都在積極地推銷號(hào)稱能節(jié)省空間的更快的DC/DC轉(zhuǎn)換器。一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠以1MH在甚至2MHz的頻率轉(zhuǎn)換，這聽(tīng)起來(lái)似乎很不錯(cuò)，但是在考慮電源系統(tǒng)的時(shí)候，不能光看到尺寸和效率。下面我們來(lái)看幾個(gè)例子，這幾個(gè)例子都顯示了轉(zhuǎn)換頻率更高時(shí)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

選擇一個(gè)應(yīng)用

我們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了三種不同電源來(lái)展示高速轉(zhuǎn)換頻率的利弊。這三種電源的輸入電壓都是5V，輸出電壓都是1.8V，輸出電流3A。這是DSP、ASIC和FPGA等性能處理器的通用要求。為了限定濾波器設(shè)計(jì)和性能，允許的波紋電壓設(shè)在20mV，大約是輸出電壓的1%;峰至峰感應(yīng)器電流設(shè)為1A。

我們來(lái)對(duì)比一下這三種頻率分別為的350, 700和1600 kHz的電源的利弊。三種方案都使用頻率1.6 MHz、低電壓、帶MOSFET的TPS54317型3 A同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器作為調(diào)壓器。

TPS54317產(chǎn)自德州儀器，具有可編程頻率和外置補(bǔ)償，專門(mén)用于高密度處理器電源負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用。

選擇感應(yīng)器和電容器

感應(yīng)器和電容器都是依照下面的簡(jiǎn)單公式來(lái)選擇的：

Equation 1:

V = L x di/dt

Rearranging: L ≥ Vout x (1-D)/(ΔI x Fs)

where: ΔI = 1 A peak-to-peak; D = 1.8 V/5 V=0.36

等式1：

V = L x di/dt

Rearranging: L ≥ Vout x (1-D)/(ΔI x Fs)

此處 ΔI = 1 A峰至峰; D = 1.8 V/5 V=0.36

等式2:

I = C x dv/dt

Rearranging: C ≥ 2 x ΔI/(8 x Fs x ΔV)

此處 ΔV = 20 mV, I = 1 A 峰至峰

等式2中假定使用了一個(gè)有可忽略串聯(lián)電阻的電容器-陶瓷電容器即是如此。由于它的低電阻和小尺寸，三種方案都選用了陶瓷電容器。上面等式2中2的乘數(shù)是隨DC偏置出現(xiàn)的電容降，因?yàn)檫@一影響沒(méi)有算在大多數(shù)陶瓷電容器的數(shù)據(jù)表內(nèi)。

圖1的電路用來(lái)評(píng)估測(cè)試臺(tái)上每個(gè)方案的性能

圖1：TPS54317參考示意圖

在示意圖中沒(méi)有數(shù)值的元件就是在各個(gè)方案中被更改的元件。輸出濾波器由L1和C2組成。三種方案中所有這些元件的數(shù)值都在表格1中列出，并根據(jù)上面等式結(jié)果來(lái)選擇。

表格1：頻率分別為350kHz, 700kHz,和1600 kHz時(shí)的電容器和感應(yīng)器選項(xiàng)

必須注意，隨著頻率的增加，每個(gè)感應(yīng)器的DC電阻會(huì)減小。這是因?yàn)槿?shù)越少所需的銅線長(zhǎng)度就越小。誤差放大器補(bǔ)償元件則根據(jù)每個(gè)轉(zhuǎn)換頻率而單獨(dú)設(shè)計(jì)。本文暫不討論如何選擇補(bǔ)償數(shù)值。

最小啟動(dòng)時(shí)間

數(shù)字轉(zhuǎn)換器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器集成電路(IC)在最小可控制啟動(dòng)時(shí)間上有限值，即脈寬調(diào)制(PWM)電路可獲得的最窄脈寬。在降壓轉(zhuǎn)換器中，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)處于開(kāi)啟狀態(tài)的時(shí)間比成為任務(wù)周期，等于輸出電壓和輸入電壓之比。

上面例子中的TPS54317型轉(zhuǎn)換器任務(wù)周期為0.36 (1.8V/5.0V)，最小啟動(dòng)時(shí)間為數(shù)據(jù)表中所示的150ns(最大值)。可控制脈寬的限制產(chǎn)生了可獲得的最小任務(wù)周期，根據(jù)等式3可以很容易算出來(lái)。一旦知道了最小任務(wù)周期，就可以計(jì)算出最低可獲取輸出電壓，如等式4和表格2中所示。最低輸出電壓也受到轉(zhuǎn)換器參考電壓限制，TPS54317的最低輸出電壓為0.9V。

等式3:

最小任務(wù)周期=最小啟動(dòng)時(shí)間x 轉(zhuǎn)換頻率

等式4:

最低輸出電壓=輸入電壓x 最小任務(wù)周期(受TPS54317參考電壓限制)

表格2：最小啟動(dòng)時(shí)間為150ns時(shí)的最低輸出電壓

此處可以在1.6MHz轉(zhuǎn)換頻率的情況下產(chǎn)生1.8V的輸出電壓。但是，即便頻率是3MH在，最可能低的輸出電壓也會(huì)被限制在2.3V。還有個(gè)方法就是降低輸入電壓或者降低頻率。在選擇轉(zhuǎn)換頻率之前，最好檢查一下DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表，以確保一個(gè)最小可控制啟動(dòng)時(shí)間。

脈沖跳躍

如果DC/DC轉(zhuǎn)換器不能以足夠快的速度消除柵極脈沖以保持所需的任務(wù)周期，就會(huì)產(chǎn)生脈沖跳躍。電源會(huì)試著調(diào)節(jié)輸出電壓，但是波紋電壓會(huì)隨著脈沖的進(jìn)一步分離而增大。由于脈沖跳躍的原因，輸出波紋會(huì)顯示出分諧波成分，由此可能產(chǎn)生噪音。而由于IC可能不會(huì)對(duì)一個(gè)大的電流尖峰作出反應(yīng)，也有可能電流限制電路不能繼續(xù)正常工作。有時(shí)由于控制器沒(méi)有正常工作，控制回路可能也會(huì)不穩(wěn)定。最小可控制啟動(dòng)時(shí)間是一個(gè)很重要的因素，因此最好要核對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中的規(guī)格，以確認(rèn)獲得最好的頻率和最小啟動(dòng)時(shí)間組合。[!--empirenews.page--]

效率和功率消耗

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率是需要考慮的最重要因素之一。如果效率太差，就會(huì)導(dǎo)致高功率消耗，需要在電路板上借助散熱器或者PCB上更多的銅線才能處理好。功率消耗也會(huì)需要更多的電源上行。功率消耗有下面幾個(gè)成分：

這里的三個(gè)方案的損耗來(lái)自FET驅(qū)動(dòng)損耗、FET轉(zhuǎn)換損耗和感應(yīng)器損耗。FET電阻和IC損耗是一樣的，因?yàn)槿齻€(gè)方案使用同樣的IC。由于每個(gè)方案都使用了陶瓷電容器，電容器損耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗鼈兊牡刃Т须娮韬艿?。為了顯示高頻率轉(zhuǎn)換的效果，圖2對(duì)每個(gè)方案的效率進(jìn)行了測(cè)量和闡述。

圖2：輸入電壓5V輸出電壓1.8V時(shí)不同頻率的不同效率

上圖清晰地顯示出效率隨著轉(zhuǎn)換頻率的增加而降低。為了能在任何頻率情況下都改進(jìn)效率，需要一個(gè)具有低Rds (on)、閘電壓或全負(fù)載時(shí)靜止電流規(guī)格的DC/DC轉(zhuǎn)換器，或者等效電阻更低的電容器和感應(yīng)器。

大小

表格3顯示了感應(yīng)器和電容器的數(shù)值，以及PCB所需板面面積

表格3：元件大小和總面積要求

電容器或感應(yīng)器的推薦板面面積是比單個(gè)元件稍大一些，以上三個(gè)方案都要將板面面積大小計(jì)算在內(nèi)。然后，總面積的大小就是將各個(gè)元件所占面積相加，包括IC和濾波器的板面面積，以及所有其它小的電阻器和電容器乘以2，以作為元件間隔。從350 kHz 到1600 kHz能節(jié)省的面積很大，濾波器大小可以減少50%，板空間減少35%，節(jié)省了將近100 mm2。

但由于電容值和電感值不能降為零，必定會(huì)符合回報(bào)消減規(guī)律。換句話說(shuō)，提高頻率不能無(wú)限制地降低總體面積，因?yàn)檫m當(dāng)尺寸的批量生產(chǎn)的感應(yīng)器和電容器是有限定范圍的。

瞬間反應(yīng)

瞬間反應(yīng)是衡量電源性能等級(jí)的一個(gè)很好的指標(biāo)。我們利用每個(gè)電源的在更高轉(zhuǎn)換頻率下的波德圖來(lái)進(jìn)行對(duì)比。如圖3所示，每個(gè)電源的相位補(bǔ)角都在45度到55度之間，這是一個(gè)抑制效果不錯(cuò)的瞬間反應(yīng)。

圖3：批量為350 kHz, 700 kHz和1600 kHz.時(shí)的波德圖

交越頻率大約是轉(zhuǎn)換頻率的1/8。當(dāng)使用一個(gè)快速轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，要確保電源IC誤差放大器有足夠的帶寬來(lái)支持一個(gè)高交越頻率。TPS54317的誤差放大器單位增益帶寬一般是5MHz。表格4顯示了實(shí)際瞬間反應(yīng)次數(shù)和相關(guān)電壓峰值過(guò)沖值。

表格4：瞬間反應(yīng)

轉(zhuǎn)換頻率越高就帶寬越大，過(guò)沖值就越低。低瞬間電壓過(guò)沖對(duì)于一些新的性能處理器是必須的，因?yàn)樗鼈兊恼{(diào)節(jié)精度要求可能包括瞬時(shí)電壓峰值是3%。

當(dāng)需要更高的輸出電流時(shí)，德州儀器的TPS40140型可堆疊、雙通道并使用外部MOSFET的1 MHz DC/DC控制器可以滿足要求?？焖俎D(zhuǎn)換頻率的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)交叉多個(gè)功率階段并將之從相位中轉(zhuǎn)換出去來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如，可以將四個(gè)頻率分別為500kHz的輸出堆在一起，就行成了2MHz的有效頻率。這樣作的好處是可以減少波紋，降低輸入塊電容，加快瞬間反應(yīng)，并通過(guò)在電路板上擴(kuò)散功率消耗來(lái)改進(jìn)熱量管理。最多可以將8個(gè)TPS40140通過(guò)數(shù)字總線連在一起并實(shí)現(xiàn)相位同步，最大有效頻率高達(dá)16MHz。

總結(jié)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)要進(jìn)行利弊權(quán)衡。更小的面積、更快的瞬間反應(yīng)和更小的電壓過(guò)沖和下沖是本文談到的“利”，而功率的降低和散熱的增加則是“弊”。

如果突破了極限，可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，比如脈沖跳躍和噪音。在為高頻率應(yīng)用選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，要核查制造商的數(shù)據(jù)表，以確認(rèn)一些重要的規(guī)格，例如最小啟動(dòng)時(shí)間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻和轉(zhuǎn)換損耗等。在這些規(guī)格上有良好性能的集成電路可能成本會(huì)更高，但卻物有所值，而且在遇到設(shè)計(jì)難題時(shí)更容易使用。