- 如何設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器詳解
- 選擇IC
- 選擇開關(guān)頻率
- 選擇外部器件
- 使環(huán)路閉合
設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器并不是件輕松的工作。許多使用者都希望轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個更低的電壓，或是升壓來產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。如果一個系統(tǒng)采用交流電工作，第一個AC-DC模塊應(yīng)當(dāng)產(chǎn)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(zhuǎn)換器。
使用開關(guān)穩(wěn)壓器的降壓轉(zhuǎn)換器具有所有轉(zhuǎn)換器當(dāng)中最高的效率。高效率意味著轉(zhuǎn)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(guān)穩(wěn)壓器的基本原理，即同步降壓轉(zhuǎn)換器。“同步降壓”指的是MOSFET用作低邊開關(guān)。相對應(yīng)的，標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器要使用一個肖特基二極管做為低邊開關(guān)。與標(biāo)準(zhǔn)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(diào)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(zhuǎn)換器能夠根據(jù)負載的變化調(diào)節(jié)輸出。PWM模塊的輸出是一個用來升高或降低開關(guān)頻率的數(shù)字信號。該信號驅(qū)動一對MOSFET。信號的占空比決定了輸入直接連到輸出的導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器使用的是電壓反饋或電流反饋。這些轉(zhuǎn)換器很耐用，控制方式很直接，而且性價比很好。由于降壓轉(zhuǎn)換器開始用于各種應(yīng)用中，這種轉(zhuǎn)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(dāng)視頻內(nèi)容變化時，降壓轉(zhuǎn)換器上的負載也會變化。供電系統(tǒng)能應(yīng)付各種負載變化，但在輕負載條件下，轉(zhuǎn)換效率降得很快。如果用戶關(guān)心的是效率，就需要有更好的降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率與負載的曲線如圖2所示。這些轉(zhuǎn)換器是針對最差工作條件設(shè)計的，因此輕負載不是持續(xù)的工作條件。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器對負載波動變化的適應(yīng)性更好，并且不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。
圖2，Intersil ISL62871的負載與效率曲線，Vout=1.1V[page]
選擇開關(guān)頻率
盡管器件的開關(guān)頻率有時是固定的，還是有必要討論開關(guān)頻率的問題，主要的權(quán)衡因素是效率。簡而言之，MOSFET有確定的導(dǎo)通和關(guān)斷時間。當(dāng)頻率增加時，過渡時間在總時間中所占的百分比會增加。結(jié)果是：效率降低了。如果效率是最重要的設(shè)計目標(biāo)，就需要考慮降低開關(guān)頻率。如果系統(tǒng)效率足夠高，就可以采用更高的開關(guān)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(shè)計分立解決方案是相當(dāng)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(fù)雜工作。在設(shè)計電壓模式降壓控制器時，外部器件和其寄生效應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計出成功的產(chǎn)品。有經(jīng)驗的設(shè)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(yīng)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?qū)λ矐B(tài)事件做出快速的響應(yīng)，是需要做出明確的折中。
輸入電容負責(zé)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(zhì)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(dāng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(yīng)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(guān)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(guān)頻率下得出的。請檢查數(shù)據(jù)表，查看調(diào)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(yīng)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(jīng)討論過，輸出要反饋到輸入端，這樣就產(chǎn)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(shè)計靈活性更好。從性能考慮，通常將這個環(huán)路的帶寬設(shè)置為大約是開關(guān)頻率的四分之一。環(huán)路頻率與實際開關(guān)頻率重疊得越多，環(huán)路響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。
電壓模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計流程與磁滯降壓轉(zhuǎn)換器的流程類似。幸好，高質(zhì)量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應(yīng)不那么重要。其他流程也是類似的。
下面對設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器的過程稍加總結(jié)。選擇完控制器IC后，再選擇相應(yīng)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(shè)計補償電路。
人們已經(jīng)做了大量工作來設(shè)計一款良好的降壓轉(zhuǎn)換器，而且現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度更高的版本。有些設(shè)計集成了MOSFET，有些設(shè)計集成了補償電路，還有的集成了輸出電感器。用戶所需要的只是設(shè)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(shè)計者來說的確是個好消息。
