開關電源如今在行業(yè)中的應用非常廣泛，為多種終端應用提供高能效方案。它們常用于計算機、電動工具、電視、多媒體平板電腦、智能手機、汽車及其它不計其數(shù)電子設備的電源及電池充電電路。

 

消費類電子行業(yè)應用最普及的轉換器之一是DC-DC降壓(step-down，亦稱buck)轉換器。

 

簡而言之，同步降壓轉換器用于將電壓從較高的電平降至較低的電平。隨著業(yè)界轉向更高性能的平臺，電源轉換器的能效成為設計的一項關鍵考慮因素。因此，重要的是理解同步降壓轉換器的基礎知識，以及怎樣恰當?shù)剡x擇電路元件。

 

 

同步降壓轉換器的概念簡單，它產(chǎn)生低于輸入電壓的穩(wěn)壓電壓，可以提供大電流，同時將功率損耗降至最低。

圖1：同步降壓轉換器電路圖。

 

同步降壓轉換器包含2顆功率MOSFET、1顆輸出電感及1顆輸出電容。此特定降壓拓撲結構的名稱來源于它的2顆功率MOSFET的控制方法；導通/關斷(on/off)控制被同步，以提供經(jīng)過穩(wěn)壓的輸出電壓，并防止2顆MOSFET同時導通。

 

高邊MOSFET(Q1)直接連接至電路的輸入電壓。當Q1導通時，電流通過它提供給負載。在此期間，低邊MOSFET(Q2)關斷，流過電感的電流增加，為電感電容(LC)濾波器充電。當Q1關斷時，Q2導通，此時電流通過它提供給負載。在此期間，渡過電感的電流減小，使LC濾波器放電。當兩顆MOSFET都關斷時，低邊MOSFET提供額外功能，即通過本體二極管對開關節(jié)點電壓來鉗位，以防止高邊晶體管首先關斷時開關電壓(VSW)升至太高的負值。

 

開關節(jié)點電壓被LC輸出段弄得更平順，從而在輸出端產(chǎn)生穩(wěn)壓直流電壓。兩顆MOSFET被同步控制以防止擊穿(shoot-through)，而當高邊及低邊MOSFET同時處于導通狀態(tài)時，產(chǎn)生直接對地短路，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

 

高邊MOSFET導通時間決定了電路的占空比(duty cycle)。如果占空比等于1，那么高邊MOSFET在全部占空比均處于導通狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓。占空比為0.1表示高邊MOSFET僅有10%時間導通，產(chǎn)生的輸出電壓約為輸入電壓的10%。

 

降壓轉換器功率損耗受多種因素影響，包括功率MOSFET輸出段、控制器/驅動器、反饋回路及轉換器本身的布線。大多數(shù)降壓轉換器設計的占空比小于0.5，而計算機及服務器市場的降壓轉換器標準占空比是0.1至0.2。

 

設計平臺正轉向更高開關頻率，能夠減小轉換器尺寸及外形因數(shù)。同時，轉換器必須提供更高性能及更高能效。輸出段性能大幅影響降壓轉換器整體性能。因此，重要的是針對特定應用優(yōu)化電感及電容選擇。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段由電感及電容組成。它儲存及為負載提供能量，使開關節(jié)點電壓變得平順以產(chǎn)生恒定輸出電壓。

 

電感選擇直接影響電感電流中的電流紋波的量，以及降壓轉換器本身的電流能力。不同制造商制造的電感在材料及電感值方面會有差異，公差通常為± 20%。電感包含固有的直流阻抗(即DCR)，會影響輸出段的性能。將DCR降至最低，即提升轉換器的整體性能。對于要求大負載電流的應用而言，建議選擇帶低DCR的電感。電感值較低的電感DCR也較低，但在電感與紋波電流之間有折衷；電感越低，流過電感的紋波電流越大。必須達到最低電感，以符合特定應用電路的紋波電流要求。

 

輸出電容直接影響轉換器輸出電壓、輸出反饋回路的響應時間，以及負載電流變化時出現(xiàn)的輸出電壓過沖的量。直流輸出端存在紋波電壓，因為流過電感及電容的電流上升及下降。增加電容會減小存在的紋波電壓的量。然而，在電容與輸出回應之間存在折衷。增加電容減小輸出電壓紋波及輸出電壓過沖，但延長了使輸出電壓回路回應負載變化所需的時間。因此，必須考慮最小電容，以符合轉換器的紋波電壓及電壓過沖要求，同時維持足以快速回應負載變化的反饋回路。

 

電容也包含寄生串行電阻，也就是等效串行電阻(ESR)。ESR影響輸出電壓紋波及轉換器整體能效。因此，設計人員正轉向低ESR設計。表面貼裝陶瓷電容在要求高性能、小外形因子的系統(tǒng)中正變得盛行。使用并行的多顆電容使設計人員能夠提供系統(tǒng)要求的電容，同時大幅減小等效的ESR。

 

 

設計降壓轉換器輸出段時，建議從電感開始。最小電感根據(jù)目標紋波電流及其它應用電路規(guī)范來計算。一旦選擇好了電感，就可以確定最小電容。

 

在電感與紋波電流之間存在折衷。目標紋波電流越少，就相當于最小電感越大。為了最佳化輸出濾波器性能，建議設定20%至40%的目標電感紋波電流。

 

需要計算最大ESR及最小電容，從而在高邊MOSFET關斷時維持穩(wěn)壓轉出電壓，以及將輸出電壓上存在的紋波的量降至最低。輸出電壓紋波可以表達為峰值-峰值電壓，或者以電容電壓比(CVR)的形式來表述。

 

輸出電容值及ESR越大，輸出回應負載變化所需經(jīng)歷的時間就越長。ESR也影響輸出電壓紋波。

 

當高邊MOSFET導通時，流過電感及電容的電流增加，輸出電壓也增加。當高邊MOSFET關斷時，流過電感及電容的電流下降，輸出電壓也下降。為了提供恒定輸出電壓，轉出電流增加的量必須等于電容電流減小的量。因此，流過電容的穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

 

除了顧及輸出紋波電壓及電感紋波電壓對輸出電容的影響，也必須顧及輸出段的瞬時負載回應能力。同步降壓轉換器必須能夠回應負載電流變化，同時維持穩(wěn)壓輸出電壓。當負載電流從較高值變?yōu)檩^低值時，輸出電壓將暫時增加，直到轉換器能夠調節(jié)占空比，以使輸出電壓返回至它的穩(wěn)壓值。此暫時輸出電壓增加稱作輸出電壓過沖。當負載從最大負載過渡到空載時，就出現(xiàn)最壞情況過沖。輸出電容必須能夠處理此瞬時條件。輸出電壓瞬時回應與輸出電壓紋波之間存在折衷。此兩項因素必須平衡取舍以滿足特定應用需求。

 

選擇電容時一個好的經(jīng)驗法則是選擇值比計算的最小電容高最少20%的輸出電容，從而顧及到電壓公差。

 

降壓轉換器輸出濾波器設計影響輸出電流紋波、輸出電壓紋波、輸出電壓過沖以及反饋回路的瞬時回應。元件選擇也影響轉換器的能效。影響同步降壓轉換器能效的最大因素是輸出電感選擇。電感值及DCR都會大幅影響性能。

 

 

同步降壓轉換器的輸出段在轉換器性能方面發(fā)揮重要作用。為了達到目標紋波電流、輸出紋波電壓及輸出過沖，必須選擇超過最小電感值和最小電容值的電感和電容。當針對特定應用選擇電感及電容時，還必須顧及其它因素。輸出段可以通過針對它將工作的特定應用標準來設計而最佳化。

 

電感值在輸出紋波電流以及轉換器的能效性能方面發(fā)揮重要作用。此外，輸出電容較高時，輸出電壓紋波也會改善。轉換器的能效受使用的電感的DCR大幅影響。

 

電感與電感飽和電流之間存在折衷。因此，為了符合或超越紋波電流要求，電感必須大于計算的最小電感值，而電感飽和電流必須大于最大負載時轉換器的峰值電流。

 

電容也在同步降壓轉換器性能方面發(fā)揮重要作用。輸出電容直接影響電壓紋波的量及輸出段的電壓過沖。然而，電容對轉換器的能效性能的影響極小。