TI工程師提供開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) ——降壓轉換器拓撲結構

由于當前有許多不同的半導體，因此在為車(chē)載應用設計一款降壓或降壓模式轉換器時(shí)就可能會(huì )用到廣泛的拓撲結構（請參見(jiàn)圖 1）。本文對不同的拓撲結構進(jìn)行了高層次的概述。

圖 1 降壓轉換器拓撲結構

外部開(kāi)關(guān)與集成開(kāi)關(guān)

降壓轉換器解決方案有許多集成開(kāi)關(guān)和外部開(kāi)關(guān)，后者通常被稱(chēng)為步降或降壓控制器。這兩種方案具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在兩種方案之間進(jìn)行選擇時(shí)必須要考慮到其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

許多內部開(kāi)關(guān)都具有低組件數量的優(yōu)勢，這一優(yōu)點(diǎn)使這些開(kāi)關(guān)擁有較小的尺寸，可以用于許多低電流應用中。由于其集成性，在表現出良好 EMI 性能的同時(shí)，它們均可以在高溫或其他外部可能出現的受影響的條件下得到保護。但是它們也有不足之處，即電流和散熱極限問(wèn)題。而外部開(kāi)關(guān)則提供了更大的靈活性，電流處理能力僅受外部 FET 選擇的限制。在負極側，外部開(kāi)關(guān)具有更多的組件數量且必須得到保護以免受到潛在問(wèn)題的損壞。

為了處理更高的電流，當然開(kāi)關(guān)也要更大些，這就使得集成更加昂貴，因為其需要占用硅芯片更大的寶貴空間并且可能需要采用更大的封裝。另外功耗問(wèn)題可能也是一個(gè)難題。因此，根據推理我們可以得出這樣的結論：對于較高的輸出電流（通常高于 5A）而言，外部開(kāi)關(guān)是其上佳之選。

同步整流與異步整流

僅具有一個(gè)開(kāi)關(guān)的異步或非同步整流器降壓轉換器要求在低位通路中有一個(gè)續流二極管，而在具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的同步整流器降壓轉換器中，第二個(gè)開(kāi)關(guān)取代了上述續流二極管（請參見(jiàn)圖 2）。與同步解決方案相比，雖然異步整流器具有可提供較為便宜的解決方案的優(yōu)點(diǎn)，但是其效率卻不是很高。

圖 2 SMPS——異步和同步整流

利用一個(gè)同步整流器拓撲并把一個(gè)外部肖特基二極管與低位開(kāi)關(guān)并聯(lián)將可以獲得最高的效率。相對于肖特基二極管，由于在“開(kāi)啟”狀態(tài)下存在一個(gè)較低的壓降，因此這種低位開(kāi)關(guān)的更高復雜度提高了效率。在停滯時(shí)間期間（兩個(gè)開(kāi)關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)），與 FET 內部背柵二極管相比，外部肖特基二極管具有更低的壓降性能。

外部補償與內部補償

一般來(lái)說(shuō)，采用外部開(kāi)關(guān)的降壓控制器可提供外部補償，因為他們所適合的應用非常廣泛。外部補償有助于控制環(huán)路適應各種外部組件，如：FET、電感以及輸出電容。

對于具有集成開(kāi)關(guān)的轉換器而言，一般都會(huì )用到外部補償和內部補償。集成補償實(shí)現了極快的工藝驗證周期以及較小的 PCB 解決方案尺寸。

內部補償的優(yōu)勢可以概括為易用性，因為只需要對輸出濾波器進(jìn)行配置、快速設計、較低的組件數量以及因此帶來(lái)的低電流應用小尺寸解決方案。其缺點(diǎn)就是靈活性較差且輸出濾波器必須服從于內部補償。然而，外部補償卻提供了更大的靈活性，可以根據所選的輸出濾波器對補償進(jìn)行調整，同時(shí)，對于較大電流而言，該補償可以是一個(gè)較小的解決方案，但是這種應用更為困難。

電流模式控制與電壓模式控制

在圖 1 所描述的拓撲結構中，仍然存在許多可以進(jìn)一步差異化的方面。例如，調節環(huán)路的拓撲以及所使用的開(kāi)關(guān)類(lèi)型就可以是不同的。

調節器本身可以以電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。在電壓模式控制時(shí)，輸出電壓為控制環(huán)路提供了主反饋，且前饋補償通常是通過(guò)使用輸入電壓作為一個(gè)次級控制環(huán)路來(lái)實(shí)施的，以增強瞬態(tài)響應行為。在電流模式控制時(shí)，電流為控制環(huán)路提供了主反饋。根據控制環(huán)路的不同，其可以是輸入電流、電感電流或輸出電流。次級控制環(huán)路為輸出電壓。

電流模式控制具有可提供快速反饋環(huán)路響應的優(yōu)勢，但是其要求具有斜率補償，需要開(kāi)關(guān)噪聲濾波以進(jìn)行電流測量，且在電流檢測分路上存在功率損耗。電壓模式控制不需要斜率補償，并且可提供具有前饋補償的快速的反饋環(huán)路響應，雖然在這里推薦使用瞬態(tài)響應增強性能，但是誤差放大電路可能要求更高的帶寬。

電流和電壓模式控制拓撲結構均適合于為了用于大多數應用進(jìn)行的調整。在許多情況下，電流模式控制拓撲都要求有一個(gè)額外的電流測量分路電阻器。具有集成前饋補償的電壓模式拓撲實(shí)現了幾乎相同的反饋環(huán)路響應，而無(wú)需電流環(huán)路檢測電阻器。此外，前饋補償還簡(jiǎn)化了補償設計。許多最近的開(kāi)發(fā)工作都是利用電壓模式控制拓撲實(shí)現的。

開(kāi)關(guān)、NMOS-FET 與 PMOS-FET

當前常用的開(kāi)關(guān)均為增強型 MOSFET，并且有許多步降/降壓轉換器和控制器都采用了 NMOS-FET 和 PMOS-FET 驅動(dòng)器。與 PMOS-FET 相比，NMOS-FET 通常提供的性?xún)r(jià)比更高，該器件上的驅動(dòng)電路更為復雜。為了開(kāi)關(guān)一個(gè) NMOS-FET，需要有一個(gè)比該器件輸入電壓更高的柵極電壓。諸如自舉或充電泵的技術(shù)必須是集成的。該集成增加了成本，降低了 NMOS-FET 最初的成本優(yōu)勢。

示例應用

這兩款新型降壓轉換器/控制器產(chǎn)品系列（可以從網(wǎng)上下載其評估板）專(zhuān)門(mén)針對車(chē)載行業(yè)苛刻的要求和 AEC Q100 規范而開(kāi)發(fā)，其為 TI 推出的 TPS40200 異步降壓控制器和 TPS5410/20/30 異步降壓轉換器（網(wǎng)址：www.ti.com.cn/power）。

TPS40200 為一個(gè)外部 PMOS-FET 提供了一個(gè)集成的驅動(dòng)器，從而提供了一款成本極低的解決方案。其具有一個(gè)異步整流器、外部補償和具有前饋補償功能的電壓模式控制。該拓撲允許通過(guò)選擇外部 PMOS-FET 對輸出電流能力進(jìn)行調整，與此同時(shí)，集成的電流限制功能實(shí)現了對外部 PMOS-FET 的保護以防止出現過(guò)流條件。外部補償有助于適應電感和輸出電容器更廣范圍的設置。這就實(shí)現了成本或效率的進(jìn)一步優(yōu)化。

應用 1 降壓調節器，5～50V 輸入，3.3V/2A 輸出

在應用 1 中，顯示了一款設計方案，其中 TPS40200 降壓轉換器在 3.3V 時(shí)可提供 2A 的電流，并實(shí)現 90% 以上的效率（在 5V 時(shí)，可實(shí)現 94% 的效率）。

在車(chē)載環(huán)境中，該組件所提供的重要的特性包括：一個(gè)寬泛的輸入電壓范圍（4V～52V）、一個(gè)寬泛的工作溫度 (TJ –40～+150Deg C)、與外部頻率同步的能力以及可編程短路保護特性。

TPS5410/20/30 異步降壓轉換器具有一個(gè)集成的 NMOS-FET 開(kāi)關(guān)、一個(gè)異步整流器，提供了集成補償以及具有前饋補償的電壓模式控制。

除了輸出濾波器以外，唯一必須的外部組件就是位于低位通道上的續流肖特基二極管。我們對集成補償與集成的 NMOS-FET 進(jìn)行了調整，以實(shí)現 TPS5410 高達 1A 的連續輸出電流、TPS5420 2A 的電流以及 TPS5430 高達 3A 的電流。由于集成補償以及較少的組件數量，該器件實(shí)現了非常短的工藝驗證周期以及非常小的 PCB 解決方案尺寸。

應用 2 降壓轉換器，5～36V 輸入，5.0V/1A 輸出

和 TPS40200 一樣，TPS5410/20/30 也提供了重要的車(chē)載環(huán)境特性。由于采用了集成補償和電源開(kāi)關(guān)，該器件具有寬泛的輸入電壓范圍（5～36V）、寬泛的工作溫度范圍 (TJ –40～+150Deg C)、短路保護功能以及較少的組件數量。

總結

本文對開(kāi)關(guān)模式電源的拓撲結構進(jìn)行了對比。本文對當前新型 SMPS 降壓轉換器和控制器解決方案作了詳細說(shuō)明，以幫助設計人員在降低信息娛樂(lè )、車(chē)身、傳動(dòng)系和底盤(pán)應用車(chē)載系統成本的同時(shí)進(jìn)行創(chuàng )新并增加市場(chǎng)機會(huì )。