為輕載工作而設計的非同步降壓穩壓器

通常情況下，降壓穩壓器的設計針對的是連續模式工作，這就簡(jiǎn)化了輸出電壓計算及系統設計。然而，如果系統非同步，而且要求在輕載條件下工作，情況就變得更復雜了。在這些條件下，降壓穩壓器可能轉而采用不連續模式工作。占空比從輸出電壓與輸入電壓之比(Vout/Vin)變?yōu)樯婕半姼兄?、輸入電壓、開(kāi)關(guān)頻率及輸出電流的一項復雜函數。

正常工作

圖1顯示了系統上電時(shí)降壓穩壓器之降壓控制器的浮動(dòng)門(mén)驅動(dòng)器輸出驅動(dòng)器段。參考電壓Vref(此單獨電源用于提升能效)為NFET門(mén)驅動(dòng)器供電，直至二極管電壓降低于參考電壓，使驅動(dòng)器能夠完全工作。有足夠的電壓來(lái)驅動(dòng)FET的門(mén)極(G)，因為初始條件規定輸出為0V，因此FET(Q1)的源極(S)電壓也為0V。

圖1，電期間的降壓穩壓器。

反激

足夠的負載使系統在連續模式下能夠恰當工作。在由FET關(guān)閉導致反激事件期間(參見(jiàn)圖2)，始終有電流通過(guò)外部FET或D2流至電感。反激事件在Q1的源極產(chǎn)生受D2壓降限制的電壓。將會(huì )有對地的負電壓。同樣，因為升壓電容(Cboost)的開(kāi)關(guān)提升了門(mén)電壓，有足夠的電壓來(lái)驅動(dòng)Q1；升壓電容向后為升壓(Boost)引腳提供高壓，并為Q1源極(S)提供了相應的負電壓。

圖2，反激條件。

過(guò)渡

在平均電流需求低于電流紋波一半等輕載條件期間，系統將進(jìn)入不連續模式。這是由要驅動(dòng)受二極管(D2)反向限制的輸出電流的條件導致的。輸出很可能過(guò)沖(原因是控制環(huán)路的響應時(shí)間較慢)，并在過(guò)沖位置懸停(hang)，且因較高電壓導致缺乏需求而錯過(guò)脈沖，這時(shí)的工作通常有點(diǎn)不可預測。

問(wèn)題所在

但在我們審視的電路設置方面還有更多須顧慮的問(wèn)題。在Q1關(guān)閉后，升壓電容(Cboost)開(kāi)始通過(guò)升壓引腳放電(Iboost)，為任何支撐電路提供電流，并通過(guò)D1提供漏電流(Ileakage)，如圖3所示。Q1在不連續模式下延長(cháng)的關(guān)閉時(shí)間開(kāi)始為升壓電容中積累的電荷放電，并在允許電荷下降得足夠多的情況下，使其下降到臨界水平。一旦超過(guò)臨界水平，就會(huì )使Q1 FET不能導通(可能因元件而異，但通常是升壓電容電壓約為3V)。FET的源極大致維持在其穩壓電壓(圖3中為8V，取決于

輸出負載及輸出電容Cout值)。在輸出電容充足放電、為Q1源極提供相對于由經(jīng)D1的升壓引腳電壓(6V-D1)足夠低的電壓之后，Q1才會(huì )導通。

圖3，升壓電容放電。

結論

設計人員應當在所有負載條件下，對開(kāi)關(guān)電源設計進(jìn)行審慎評估?？紤]的因素包括過(guò)溫。高溫將產(chǎn)生漏電流更大的環(huán)境。流入升壓引腳的電流溫度系數未知，因此，設計人員也需要檢查低溫條件。還應當在最壞情況評估仿真過(guò)程中使用此結果，完成系統評估，確定最小電容值。細致的設計也能夠為計算增添工程緩沖。

本文中所重點(diǎn)探討問(wèn)題的應對方案包括：

1. 增加升壓電容(Cboost)值，消除低壓放電事件。

2. 轉向使用對地參考的門(mén)驅動(dòng)器的元器件。

3. 修改設計，使其同步工作。

4. 改變連接D1的參考電壓(提高電壓)。

5. 采用低泄漏肖特基二極管替代D1。