高頻率、高輸入DC/DC轉換器設計實(shí)例

　　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。

　　脈沖跳躍

　　DC/DC轉換器無(wú)法足夠快速地清除門(mén)驅動(dòng)脈沖來(lái)維持理想占空比時(shí)，便會(huì )出現脈沖跳躍。電源會(huì )嘗試調節輸出電壓，但由于距離更遠的脈沖，紋波電壓會(huì )增加。由于存在脈沖跳躍，輸出紋波會(huì )呈現出分諧波成分，其可能出現噪聲問(wèn)題。限流電路也可能不再正常工作，因為IC可能不響應大電流峰值。一些情況下，如果控制器不正常工作，控制環(huán)路便可能會(huì )不穩定。

　　效率和功耗

　　DC/DC轉換器的效率，是進(jìn)行電源設計時(shí)需要考慮的最重要屬性之一。低效率會(huì )轉換成高功耗，必須要在印刷電路板(PCB)上使用單獨的散熱器或者更多的銅，才能處理這些功耗。功耗也對電源上游器件提出了更高的要求。如表3所示，功耗共有幾個(gè)組成部分。

　　三個(gè)例子的重要損耗組成部分，來(lái)自于FET驅動(dòng)損耗、FET開(kāi)關(guān)損耗和電感損耗。FET電阻和IC損耗是一致的，因為所有三個(gè)設計中都使用了相同的IC。由于所有例子中都選擇了低ESR的陶瓷電容，因此電容損耗可以忽略不計。為了表明高頻開(kāi)關(guān)的影響，我們對每個(gè)例子的效率都進(jìn)行了測量，并將其顯示在圖2中。該圖清楚地表明，效率隨開(kāi)關(guān)頻率增加而下降。若想提高所有頻率下的效率，需要尋找到一種全負載狀態(tài)下低漏到源“導通”電阻、低門(mén)電荷或者低靜態(tài)電流規范的DC/DC轉換器;或者尋找到一些具有更低等效電阻的電容和電感。

　　表 1 三個(gè)舉例電源設計的電容和電感選擇

　　表 2 130-ns最小“導通”時(shí)間的最小輸出電壓

　　表 3 功耗組成部分

　　圖 2 三個(gè)舉例頻率下 TPS54160 的效率

　　組件尺寸

　　表4列出了三種設計要求的總電路板面積，以及電容和電感的焊盤(pán)面積。電容或者電感的建議焊盤(pán)面積，稍稍大于單個(gè)組件本身，且三種設計舉例均使用了該面積。每個(gè)組件占用的面積相加(其包括IC、濾波器以及所有其它小型電阻器和電容的焊盤(pán)尺寸)，然后將得到的結果乘以2倍(考慮到組件的間距)，便得到總面積。100-kHz和750-kHz設計之間存在近250 mm2的總面積節省，從而使濾波器體積縮小50%，而板空間占用減少55%。但是，存在收益遞減規律，因為電容和電感值無(wú)法減少至零!換句話(huà)說(shuō)，不斷推高頻率并不能夠一直減小總尺寸，因為你無(wú)法總是能夠在市場(chǎng)上買(mǎi)到這些尺寸適合且批量生產(chǎn)的電感和電容。注意，33-µH和15-µH電感占用相同的面積。存在這種可能性，是因為33-µH電感的高度為3.5 mm，而15-µH電感僅高2.4 mm。我們想通過(guò)這兩種電感來(lái)說(shuō)明的觀(guān)點(diǎn)是：電感與體積成正比例關(guān)系。

　　表 4 組件尺寸和總面積要求

　　圖 3 100kHz、300 kHz和750 kHz 的波特圖