降壓穩壓器的效率及尺寸權衡

作為一名應用工程師，我知道降壓穩壓器的實(shí)施不可避免地要涉及效率與尺寸的權衡。盡管這一原理適用于眾多開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 拓撲，但當應用需要低輸出電壓和高輸出電流（例如 1V 和 30A）時(shí)，這一原理就不一定適用了，因為這需要可平衡效率與尺寸的小型電源解決方案。

高效率是重要的性能基準，不僅可減少功率損耗與組件溫度上升，而且還可在給定氣流與環(huán)境溫度條件下帶來(lái)更多有用功率。從這個(gè)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，低開(kāi)關(guān)頻率非常具有誘惑力，但同時(shí)需要大型濾波器組件來(lái)滿(mǎn)足輸出紋波與瞬態(tài)響應等目標規范的要求，因此成本和尺寸會(huì )隨之增加。

專(zhuān)門(mén)用于電源管理的 PCB 面積是系統設計人員所面臨的一個(gè)巨大制約條件。對于這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)回顧一下高開(kāi)關(guān)頻率的各項優(yōu)勢。首先，電感和電容需求會(huì )隨頻率上升而降低，從而可實(shí)現更緊湊的 PCB 布局以及更小的尺寸外形。更低的電感不但可實(shí)現更快的大型信號電流變化以及更高的控制環(huán)路帶寬，而且還可實(shí)現更快的負載瞬態(tài)響應。根據經(jīng)驗，最大環(huán)路帶寬是開(kāi)關(guān)頻率的 20%。最后，在較高頻率下在組件選擇方面會(huì )出現一些有趣的選項。

例如，我們可以看看這款穩壓器設計，其可通過(guò)仔細選擇組件實(shí)現最佳的效率／尺寸／成本。點(diǎn)擊這里觀(guān)看視頻演示。

(1)電感器— 盡管鐵粉芯電感器或組合鐵芯電感器可在低頻率下提供很好的性能，但更高的鐵芯損耗會(huì )否定其頻率超過(guò) 500kHz 左右時(shí)的價(jià)值定位。在這一點(diǎn)上，超低 DCR 鐵氧體磁性材料更容易實(shí)現較低的銅損耗和鐵芯損耗。注意，鐵芯損耗相對來(lái)說(shuō)比較容易測量，只需關(guān)注轉換器空載輸入電流即可。采用單匝訂書(shū)針形繞組的鐵氧體電感器目前提供廣泛的現成選項，而如果只需要一個(gè)繞組圈數，就很容易實(shí)現低于 1mΩ 的 DCR！

(2)PWM 控制器— 現在，如果設計特別需要鐵氧體芯電感器的硬飽和特性，那么一定不能超過(guò)電感器的飽和電流。這就需要一款可充分利用寄生電路電阻實(shí)現精確無(wú)損電流傳感的 PWM 控制器（閱讀我之前的博客《在大電流轉換器中實(shí)現精確而無(wú)損的電流傳感》，了解有關(guān)該主題的更多詳情）。其它主要特性包括高效率柵極驅動(dòng)器、遠程 BJT 溫度傳感以及快速誤差放大器等。

(3)MOSFET— 功率半導體器件是改善效率與尺寸的基礎。以功率塊 NexFET?系列為例，其被廣為稱(chēng)道的優(yōu)勢在于通過(guò)垂直疊加的方式創(chuàng )新地將高側及低側 MOSFET 進(jìn)行聯(lián)合封裝。在頻率比例損耗值得關(guān)注時(shí)，需要低 Q_G、Q_RR與 Q_OSS電荷。此外，低 R_DS(ON)、大電流銅夾、開(kāi)爾文柵極連接以及接地選項卡也很重要。

(4)電容器—在較高頻率下，陶瓷電容器要比電解電容器更受青睞。大量輸出能量存儲現已變得非常多余了，因為控制環(huán)路會(huì )對瞬態(tài)需求作出迅速響應。陶瓷產(chǎn)品不僅可提供更低的 ESR，而且還可提供更低的 ESL，可緩解由電感分割效應與低濾波器電感引起的輸出紋波。

還有哪些其它因素會(huì )影響穩壓器的效率與尺寸？近期流行的主題包括 GaN MOSFET、電源系統封裝 (PSIP) 以及片上電源系統 (PSOC) 等。請告訴我您的想法？

資源：

• 在電源電子技術(shù)中閱讀《將支持超低 DCR 電感器的 3D 集成型 MOSFET 用于高效率 DC/DC 穩壓器》；
• 在 TI 電源之家閱讀《在大電流轉換器中實(shí)現精確無(wú)損的電流傳感》；
• 在 Powerlab? 參考設計庫中查看LM27403參考設計；
• 訂購LM27403評估板；
• 立即使用WEBENCH? 電源設計工具啟動(dòng)一項設計。