如何設計面向大降壓比應用的同步降壓

引言

DC-DC降壓轉換器已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用，其中最常用到的拓撲便是降壓轉換器。半導體技術(shù)的發(fā)展使得現今的電子設備能在越來(lái)越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至1V電壓下工作。。傳統采用一個(gè)二極管的降壓轉換器的轉換效率很低，尤其是在較低的輸出電壓下，原因是由于二極管通常會(huì )消耗不少的功率，其典型正向電壓降為0.35V~0.5V，從而造成了較大比例的功率損耗。同步降壓轉換器采用MOSFET來(lái)代替二極管，該解決方案具有高效率、高輸出電流和低輸出電壓等優(yōu)勢。MOSFET中的電壓降與其接通電阻和電流成比例，其典型值為0.1V~0.3V。因此，功率損耗便可大大下降，從而達到很高的轉換效率。另一方面，許多應用要求的輸入電壓范圍很大。例如汽車(chē)應用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車(chē)電池的電壓一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會(huì )達到40V。由于輸入電壓很高而輸出電壓很低(或者是輸出電流很高)，因此需要使用大降壓比的轉換器。

具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉換器一般采用兩級轉換。第一級轉換是將高輸入電壓轉換為中間電壓，第二級轉換則將中間電壓轉換為需要的低輸出電壓。采用兩級轉換的原因很多。首先，大降壓比則意味著(zhù)需要低占空比。例如，一個(gè)24V輸入及1.2V輸出的轉換器，其要求的占空比為0.05，這對效率和性能而言都非常不利。甚至對于一般的降壓轉換器而言，這個(gè)很低的占空比是無(wú)法達到。第二，支持輸出電壓低于1.2V的設備一般其輸入電壓不會(huì )大于10V到15V。但是，根據之前所述，在汽車(chē)等一些設備中，甚至會(huì )出現高達40V的高輸入電壓?？墒?，對于能接受20V以上輸入電壓的設備，其輸出電壓往往都高于1.2V。因此，對于高輸入低輸出的電壓應用來(lái)說(shuō)，采用兩級轉換是非常合理。

兩級轉換的不良效率

效率是兩級轉換器所需要關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。盡管對個(gè)別級的轉換而言，均可以達到較高的效率，但是整體效率卻可能很低。因為整體效率是各轉換級效率之乘積。比如，圖1所示為一個(gè)可將12V或24V的輸入電壓轉換為5V輸出電壓的降壓轉換器的效率曲線(xiàn)。此外，圖中同樣給出了一個(gè)將5V輸入電壓轉換為1.2V輸出電壓的轉換器效率。兩個(gè)轉換器同樣在550kHz的頻率下運作，并在半負荷下得出約80%的效率?？墒?，使用在兩級轉換中的這兩個(gè)降壓轉換器的整體效率僅在60%~70%左右，如圖2所示。

圖1 單級的效率曲線(xiàn)

圖2 兩級轉換的整體效率

除了效率之外，與單級轉換相比(稍后會(huì )作介紹)，兩級轉換要求使用更多的元件并占用更多的板面積。所需的集成電路、電感器和降壓電容器數量約為單級轉換的兩倍。此外，由于需要使用兩個(gè)電感器，因此需要在兩個(gè)轉換器之間進(jìn)行精確的同步以降低干擾。因此，兩級轉換的設計時(shí)間較長(cháng)，而且包括板尺寸、元件成本、生產(chǎn)時(shí)間和調試等在內的整體成本也較高。

圖3 LM3103的效率曲線(xiàn)

同步穩壓器的設計

與兩級轉換相比，寬輸入范圍和低反饋電壓的同步降壓轉換器具有更高的效率、更小的尺寸和更經(jīng)濟的成本。例如LM3103，它是LM310x系列產(chǎn)品中的一款，屬于美國國家半導體的PowerWise產(chǎn)品系列。LM3103的輸入電壓可高達42V，輸出電壓可低至0.6V。因此，對于要求高降壓比的應用來(lái)說(shuō)，LM3103無(wú)疑是最佳的解決方案。為了進(jìn)一步減少元件數量， LM3103還把MOSFET嵌入到內部，并采用一種恒定導通時(shí)間控制方法，省略了補償電路。因此，轉換器的設計就簡(jiǎn)化為對一些元件進(jìn)行簡(jiǎn)單調節。下文將詳述如何對元件進(jìn)行調節。

圖4所示為一個(gè)1.2V輸出電壓的LM3103原理圖。圖中的電容 CIN 和 COUT 為降壓電容器， CIN3、COUT3則分別用來(lái)過(guò)濾高頻噪聲。至于CSS 和CBST 則用于軟啟動(dòng)和自舉功能， CVCC 和CFB則分別用作內部調節器和幫助反饋輸出紋波。設計所需的其他元件如下：

* 用于輸出電壓的RFB1 和RFB2;

* 用于工作頻率的RON;

* 與電感器電流紋波相關(guān)的L。

輸出電壓

由于LM3103的內部參考電壓等于0.6V，輸出電壓VOUT和由RFB1 和 RFB2組成的分阻器之關(guān)系如下：

因為VOUT = 1.2V，我們可選擇RFB2 = 10k?，那么RFB1可通過(guò)下式進(jìn)行計算：

工作頻率

電阻器RON 用于決定轉換器的導通時(shí)間，而該導通時(shí)間是與工作頻率fSW成直接關(guān)系，并在LM3103中被編程成高至1MHz 。一旦fSW被確定，那RON便可通過(guò)下列算式計算出來(lái)：

在圖4中， fSW 設定為550kHz，因此計算出的RON等于26.3k?。

圖4 1.2V輸出的LM3103原理圖

電感器電流紋波

LM3103需要約0.3A的電感器電流紋波。電感器的電流紋波與輸入電壓、輸出電壓以及工作頻率有密切的關(guān)系。L的計算公式如下：

在設計中把VIN定為 12V，則計算出來(lái)的L便等于6.55?H.

元件的選擇應基于以上計算和圖4中所示的實(shí)際數值。LM3103應用電路的效率曲線(xiàn)已在圖3中展示出來(lái)。對比圖2與圖3，便會(huì )發(fā)現LM3103的單級轉換效率比起兩級轉換的整體效率高出了5到10%。表1對LM3103和兩級轉換進(jìn)行了比較。從表中可以看出，在效率、元件數量和方案尺寸方面，LM3103都比兩級轉換有優(yōu)勢。

表1 LM3103與兩級轉換的對比