設計降壓轉換器

設計降壓轉換器并不是件輕松的工作。許多使用者都希望轉換器是一個盒子，一端輸入一個直流電壓，另一端輸出另一個直流電壓。這個盒子可以有很多形式，可以是降階來產生一個更低的電壓，或是升壓來產生一個更高的電壓。還有很多特殊的選項，如升降壓、反激和單端初級電感轉換器(SEPIC)，這是一種能讓輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓的DC-DC轉換器。如果一個系統(tǒng)采用交流電工作，第一個AC-DC模塊應當產生系統(tǒng)所需的最高的直流電壓。因此，使用最廣的器件是降壓轉換器。

使用開關穩(wěn)壓器的降壓轉換器具有所有轉換器當中最高的效率。高效率意味著轉換過程中的能量損耗更少，而且能簡化熱管理。

圖1顯示了一種降壓開關穩(wěn)壓器的基本原理，即同步降壓轉換器。“同步降壓”指的是MOSFET用作低邊開關。相對應的，標準降壓穩(wěn)壓器要使用一個肖特基二極管做為低邊開關。與標準降壓穩(wěn)壓器相比，同步降壓穩(wěn)壓器的主要好處是效率更高，因為MOSFET的電壓降比二極管的電壓降要低。低邊和高邊MOSFET的定時信息是由脈寬調制(PWM)控制器提供的。控制器的輸入是來自輸出端反饋回來的電壓。這個閉環(huán)控制使降壓轉換器能夠根據(jù)負載的變化調節(jié)輸出。PWM模塊的輸出是一個用來升高或降低開關頻率的數(shù)字信號。該信號驅動一對MOSFET。信號的占空比決定了輸入直接連到輸出的導通時間的百分比。因此，輸出電壓是輸入電壓和占空比的乘積。

選擇IC

上面提到的控制環(huán)路使降壓轉換器能夠保持一個穩(wěn)定的輸出電壓。這種環(huán)路有幾種實現(xiàn)方法。最簡單的轉換器使用的是電壓反饋或電流反饋。這些轉換器很耐用，控制方式很直接，而且性價比很好。由于降壓轉換器開始用于各種應用中，這種轉換器的一些弱點也開始暴露出來。以圖形卡的供電電路為例。當視頻內容變化時，降壓轉換器上的負載也會變化。供電系統(tǒng)能應付各種負載變化，但在輕負載條件下，轉換效率降得很快。如果用戶關心的是效率，就需要有更好的降壓轉換器方案。

一種改進方法是所謂的磁滯控制，Intersil的ISL62871就是采用這種控制方法的器件。轉換效率與負載的曲線如圖2所示。這些轉換器是針對最差工作條件設計的，因此輕負載不是持續(xù)的工作條件。這些DC-DC轉換器對負載波動變化的適應性更好，并且不會嚴重影響系統(tǒng)效率。

圖2，Intersil ISL62871的負載與效率曲線，Vout=1.1V

選擇開關頻率

盡管器件的開關頻率有時是固定的，還是有必要討論開關頻率的問題，主要的權衡因素是效率。簡而言之，MOSFET有確定的導通和關斷時間。當頻率增加時，過渡時間在總時間中所占的百分比會增加。結果是：效率降低了。如果效率是最重要的設計目標，就需要考慮降低開關頻率。如果系統(tǒng)效率足夠高，就可以采用更高的開關頻率。頻率更高，就可以使用更小的外部無源器件，即輸出電感器和電容器。

外部器件

設計分立解決方案是相當有難度的，大約需要40個器件，這是個需要額外付出大量努力的復雜工作。在設計電壓模式降壓控制器時，外部器件和其寄生效應對系統(tǒng)性能起了很大的決定作用。在討論每種器件時，我們再詳加敘述。

采用這種特殊降壓轉換器時，我們必須選擇5個額外器件，包括輸入電容、輸出電容、輸出電感器，高邊和低邊MOSFET。選擇輸出電感器時，要滿足輸出紋波的要求，以及減小PWM對瞬態(tài)負載的響應時間。電感器感值的下限是由紋波要求確定的。在尋找最小(可能也是最便宜的)電感器之前，要記住的一點是，電感器并不是完美的器件。實際的電感器有飽和等級。飽和級別必須高于系統(tǒng)中的峰值電流，才能設計出成功的產品。有經驗的設計者還明白，感值并不是不隨電流變化的常量。事實上，流過器件的電流越大，感值會降低的。請核實電感器的數(shù)據(jù)表，確保你所選擇的感值對系統(tǒng)中的峰值電流是足夠的。在更大層面上可能犯的錯誤是選擇最好的電感，雖然小心謹慎還是必要的。更大的感值可以減少輸出紋波，但也會限制壓擺率。最終，大電感會限制對負載瞬態(tài)的響應時間。因此在選擇電感器時，是選擇在更低的峰峰值紋波電流條件下更安靜的輸出，還是需要系統(tǒng)能夠對瞬態(tài)事件做出快速的響應，是需要做出明確的折中。

輸入電容負責吸收高邊MOSFET輸入電流的交流分量。因此，其RMS電流容量必須足夠大，才能處理由高邊MOSFET汲取的交流分量。由于質量和低溫度系數(shù)，陶瓷電容器可以對高頻分量進行去耦。降壓電容器提供更低頻率的RMS電流，這取決于占空比(當系統(tǒng)的工作占空比比50%越大，RMS電流越大)。降壓電容可以是幾個多層陶瓷電容器。然而在低成本應用中，通常使用幾個并聯(lián)的電解電容器。如果是采用表面貼裝，可以選固態(tài)鉭電容用作降壓電容，但是必須仔細核對電容器的浪涌電流等級(浪涌電流通常出現(xiàn)在啟動時)。在選擇降壓轉換器系統(tǒng)中的任何電容器時，需要尋找具有小等效串聯(lián)電容(ESL)、小等效串聯(lián)電阻(ESR)，最后是所需的總電容。還有，就是根據(jù)約算選擇最優(yōu)的器件。對于電容電壓等級，還有一點需要注意。為減少難以發(fā)現(xiàn)的故障，可以選擇電壓等級是輸入電壓的1.2～1.3倍的電容器，也就是說，電壓要跨越輸入電壓的范圍。

在出現(xiàn)瞬態(tài)變化期間，輸出電容器必須對輸出進行濾波，再向負載提供電流。有趣的是，等效串聯(lián)電容(ESR)和電壓等級比實際容值對選擇什么樣的電容器影響更大。請注意，來自電感器的峰峰值電流紋波會通過輸出電容器的ESR，轉換成峰峰值電壓紋波。由于系統(tǒng)可能對輸出電壓紋波有限制，選擇一款最小化ESR的電容(或一組并聯(lián)電容器)就變得十分重要。當然，電容器必須有足夠的電壓等級。根據(jù)這些要求，就可以從供應商的電容器清單中選出最合適的方案。最后要注意的一點是，要對ESR數(shù)據(jù)加以更多的關注，因為數(shù)據(jù)表里的ESR數(shù)據(jù)可能并不是在你所選用的開關頻率下得出的。請檢查數(shù)據(jù)表，查看調整過的ESR數(shù)值。

一般根據(jù)Rds(on)、柵極電荷和熱管理需求來選擇MOSFET。查看幾家制造商的數(shù)據(jù)表，可以選擇象Infineon BSC050N03LS這樣的器件，該器件的柵極電荷為35nC，高邊MOSFET的Rds(on)為5mΩ。對應地，可以選擇Rds(on)為1.6mΩ的低邊MOSFET(BSC016)。

使環(huán)路閉合

前面已經討論過，輸出要反饋到輸入端，這樣就產生了一個補償環(huán)路。補償?shù)姆绞接泻芏喾N，比如Type I、Type II和Type III。Type I是單極點方案，Type II是帶有一個零點的雙極點方案，Type III是帶有兩個零點的三極點方案。每種方案的元器件數(shù)量都比前一種要多，不過也使得設計靈活性更好。從性能考慮，通常將這個環(huán)路的帶寬設置為大約是開關頻率的四分之一。環(huán)路頻率與實際開關頻率重疊得越多，環(huán)路響應就越快。此外，要確保相位裕量大于30°，小于180°，這是一個典型的穩(wěn)定性標準。

電壓模式轉換器的設計流程與磁滯降壓轉換器的流程類似。幸好，高質量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應不那么重要。其他流程也是類似的。

下面對設計降壓轉換器的過程稍加總結。選擇完控制器IC后，再選擇相應的外部器件。對每種選擇方案來說，參數(shù)的重要程度是不一樣的。選定MOSFET、輸出電感器、輸入和輸出電容器后，再設計補償電路。

人們已經做了大量工作來設計一款良好的降壓轉換器，而且現(xiàn)在已經有了集成度更高的版本。有些設計集成了MOSFET，有些設計集成了補償電路，還有的集成了輸出電感器，比如Intersil的ISL8201M。用戶所需要的只是設定輸出電壓的電阻、輸入電容器和輸出電容器，這對忙碌的系統(tǒng)設計者來說的確是個好消息。