高頻率、高輸入DC/DC轉換器設計實(shí)例

DC/DC轉換器的設計頻率越來(lái)越快，目的是減小輸出電容和電感的尺寸，以節省電路板空間。正因如此，現在市場(chǎng)上出現越來(lái)越多工作在高輸入電壓下的DC/DC轉換器，其可提供線(xiàn)壓瞬態(tài)保護，更低的占空比使更快頻率下難以達到更低的電壓。許多電源集成電路制造廠(chǎng)商(IC)正在積極推銷(xiāo)高頻DC/DC轉換器，聲稱(chēng)可以減少電路板空間占用。工作在1MHz或者2MHz下的DC/DC轉換器似乎是一個(gè)好主意，但開(kāi)關(guān)頻率對電源系統產(chǎn)生的影響遠不止體積和效率兩方面。本文介紹了幾個(gè)設計實(shí)例，說(shuō)明在高頻下開(kāi)關(guān)存在的一些好處和挑戰。

　　應用選擇

　　為了說(shuō)明使用高開(kāi)關(guān)頻率的權衡過(guò)程，我們設計了三個(gè)獨立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設計，輸入電壓均為48V，輸出電壓均為5V，而輸出電流均為1A。這些要求常用于為一個(gè)5-V邏輯USB，或者為其它DC/DC轉換器使用的中頻通用5-V總線(xiàn)供電，例如：低壓降穩壓器等。若想建立一些設計限制，所選允許紋波電壓需為50mV，其約為輸出電壓的1%;同時(shí)選擇使用0.5 A的峰至峰電感電流。德州儀器TPS54160是一種集成MOSFET的2.5-MHz、60-V、1.5-A降壓DC/DC轉換器，用作所有設計的穩壓器。TPS54160特有外部補償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應用。

　　電感和電容選擇

　　根據下列四個(gè)簡(jiǎn)化公式，選擇每種情況的電感和電容：

　　電感選擇

(1a)

　　可重寫(xiě)為：

(1b)

　　其中，D(占空比)=5 V/48 V=0.104，且△I = 0.5 A峰至峰。

　　電容選擇

　　I= C x dv/dt (2a)

　　可重寫(xiě)為：

(2b)

　　其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。

　　就方程式2b而言，我們假設所選電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)忽略不計，陶瓷電容便是如此。我們選擇陶瓷電容，用于所有三種設計，原因是其低電阻和小尺寸。方程式2b分子的乘數2表明DC偏壓相關(guān)電容下降情況，原因是大多數陶瓷電容的數據表中都沒(méi)有說(shuō)明這一效應。

　　圖 1 TPS54160 參考示意圖

　　圖1所示電路用于評估實(shí)驗臺上每種設計的性能。示意圖中沒(méi)有值的一些組件，為設計中修改了的組件。輸出濾波器由L1和C2組成。所有三種設計的組件值都列舉在表1中，這些值的選擇是基于方程式1a到2b的結果。注意，每個(gè)電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因為較少的匝數所需的銅長(cháng)度更短。我們單獨為每個(gè)開(kāi)關(guān)頻率設計了誤差放大器補償組件。選擇補償值的計算方法，超出了本文討論的范圍。

　　最小“導通”時(shí)間

　　最小可控“導通”時(shí)間限制是DC/DC轉換器IC的一個(gè)特點(diǎn)，其為脈寬調制(PWM)電路的最窄可達脈寬。在降壓轉換器中，開(kāi)關(guān)周期期間功率MOSFET導通的時(shí)間百分比被稱(chēng)作占空比，其等于輸出電壓與輸入電壓的比。使用TPS54160轉換器時(shí)，占空比為0.104(4 V/48 V)，而數據表中列出的最小“導通”時(shí)間為130 ns?？煽孛}寬限制產(chǎn)生一個(gè)最小可達占空比，而用最小“導通”時(shí)間乘以開(kāi)關(guān)頻率，我們可以輕松地計算出該占空比的大小。一旦知道了最小占空比，利用VIN乘以最小占空比，我們便可以計算出最低可達輸出電壓。最低輸出電壓同樣也受轉換器基準電壓的限制，使用TPS54160時(shí)其為0.8V。

　　本例中，我們可以通過(guò)750-kHz開(kāi)關(guān)頻率來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5-V輸出電壓(參見(jiàn)表2)。但是，如果該頻率為1 MHz，則最低可能輸出電壓被限制為約6V;否則，DC/DC轉換器會(huì )跳過(guò)脈沖。替代方法是降低輸入電壓或者頻率。在選擇某個(gè)開(kāi)關(guān)頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉換器數據表，了解保證最小可控“導通”時(shí)間。

　　DC/DC轉換器的設計頻率越來(lái)越快，目的是減小輸出電容和電感的尺寸，以節省電路板空間。正因如此，現在市場(chǎng)上出現越來(lái)越多工作在高輸入電壓下的DC/DC轉換器，其可提供線(xiàn)壓瞬態(tài)保護，更低的占空比使更快頻率下難以達到更低的電壓。許多電源集成電路制造廠(chǎng)商(IC)正在積極推銷(xiāo)高頻DC/DC轉換器，聲稱(chēng)可以減少電路板空間占用。工作在1MHz或者2MHz下的DC/DC轉換器似乎是一個(gè)好主意，但開(kāi)關(guān)頻率對電源系統產(chǎn)生的影響遠不止體積和效率兩方面。本文介紹了幾個(gè)設計實(shí)例，說(shuō)明在高頻下開(kāi)關(guān)存在的一些好處和挑戰。

　　應用選擇

　　為了說(shuō)明使用高開(kāi)關(guān)頻率的權衡過(guò)程，我們設計了三個(gè)獨立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設計，輸入電壓均為48V，輸出電壓均為5V，而輸出電流均為1A。這些要求常用于為一個(gè)5-V邏輯USB，或者為其它DC/DC轉換器使用的中頻通用5-V總線(xiàn)供電，例如：低壓降穩壓器等。若想建立一些設計限制，所選允許紋波電壓需為50mV，其約為輸出電壓的1%;同時(shí)選擇使用0.5 A的峰至峰電感電流。德州儀器TPS54160是一種集成MOSFET的2.5-MHz、60-V、1.5-A降壓DC/DC轉換器，用作所有設計的穩壓器。TPS54160特有外部補償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應用。

　　電感和電容選擇

　　根據下列四個(gè)簡(jiǎn)化公式，選擇每種情況的電感和電容：

　　電感選擇

(1a)

　　可重寫(xiě)為：

(1b)

　　其中，D(占空比)=5 V/48 V=0.104，且△I = 0.5 A峰至峰。

　　電容選擇

　　I= C x dv/dt (2a)

　　可重寫(xiě)為：

(2b)

　　其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。

　　就方程式2b而言，我們假設所選電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)忽略不計，陶瓷電容便是如此。我們選擇陶瓷電容，用于所有三種設計，原因是其低電阻和小尺寸。方程式2b分子的乘數2表明DC偏壓相關(guān)電容下降情況，原因是大多數陶瓷電容的數據表中都沒(méi)有說(shuō)明這一效應。