降压转换器的工作原理

降压转换器的工作原理

设计降压转换器并不是件轻松的工作。许多使用者都希望转换器是一个盒子，一端输入一个直流电压，另一端输出另一个直流电压。这个盒子可以有很多形式，可以是降阶来产生一个更低的电压，或是升压来产生一个更高的电压。还有很多特殊的选项，如升降压、反激和单端初级电感转换器(SEPIC)，这是一种能让输出电压大于、小于或等于输入电压的DC-DC转换器。如果一个系统采用交流电工作，第一个AC-DC模块应当产生系统所需的最高的直流电压。因此，使用最广的器件是降压转换器。

使用开关稳压器的降压转换器具有所有转换器当中最高的效率。高效率意味着转换过程中的能量损耗更少，而且能简化热管理。

图1显示了一种降压开关稳压器的基本原理，即同步降压转换器。“同步降压”指的是MOSFET用作低边开关。相对应的，标准降压稳压器要使用一个肖特基二极管做为低边开关。与标准降压稳压器相比，同步降压稳压器的主要好处是效率更高，因为MOSFET的电压降比二极管的电压降要低。低边和高边MOSFET的定时信息是由脉宽调制(PWM)控制器提供的。控制器的输入是来自输出端反馈回来的电压。这个闭环控制使降压转换器能够根据负载的变化调节输出。PWM模块的输出是一个用来升高或降低开关频率的数字信号。该信号驱动一对MOSFET。信号的占空比决定了输入直接连到输出的导通时间的百分比。因此，输出电压是输入电压和占空比的乘积。

选择IC

上面提到的控制环路使降压转换器能够保持一个稳定的输出电压。这种环路有几种实现方法。最简单的转换器使用的是电压反馈或电流反馈。这些转换器很耐用，控制方式很直接，而且性价比很好。由于降压转换器开始用于各种应用中，这种转换器的一些弱点也开始暴露出来。以图形卡的供电电路为例。当视频内容变化时，降压转换器上的负载也会变化。供电系统能应付各种负载变化，但在轻负载条件下，转换效率降得很快。如果用户关心的是效率，就需要有更好的降压转换器方案。

一种改进方法是所谓的磁滞控制，Intersil的ISL62871就是采用这种控制方法的器件。转换效率与负载的曲线如图2所示。这些转换器是针对最差工作条件设计的，因此轻负载不是持续的工作条件。这些DC-DC转换器对负载波动变化的适应性更好，并且不会严重影响系统效率。

图2，Intersil ISL62871的负载与效率曲线，Vout=1.1V 选择开关频率

尽管器件的开关频率有时是固定的，还是有必要讨论开关频率的问题，主要的权衡因素是效率。简而言之，MOSFET有确定的导通和关断时间。当频率增加时，过渡时间在总时间中所占的百分比会增加。结果是：效率降低了。如果效率是最重要的设计目标，就需要考虑降低开关频率。如果系统效率足够高，就可以采用更高的开关频率。频率更高，就可以使用更小的外部无源器件，即输出电感器和电容器。

外部器件

设计分立解决方案是相当有难度的，大约需要40个器件，这是个需要额外付出大量努力的复杂工作。在设计电压模式降压控制器时，外部器件和其寄生效应对系统性能起了很大的决定作用。在讨论每种器件时，我们再详加叙述。

采用这种特殊降压转换器时，我们必须选择5个额外器件，包括输入电容、输出电容、输出电感器，高边和低边MOSFET。选择输出电感器时，要满足输

出纹波的要求，以及减小PWM对瞬态负载的响应时间。电感器感值的下限是由纹波要求确定的。在寻找最小(可能也是最便宜的)电感器之前，要记住的一点是，电感器并不是完美的器件。实际的电感器有饱和等级。饱和级别必须高于系统中的峰值电流，才能设计出成功的产品。有经验的设计者还明白，感值并不是不随电流变化的常量。事实上，流过器件的电流越大，感值会降低的。请核实电感器的数据表，确保你所选择的感值对系统中的峰值电流是足够的。在更大层面上可能犯的错误是选择最好的电感，虽然小心谨慎还是必要的。更大的感值可以减少输出纹波，但也会限制压摆率。最终，大电感会限制对负载瞬态的响应时间。因此在选择电感器时，是选择在更低的峰峰值纹波电流条件下更安静的输出，还是需要系统能够对瞬态事件做出快速的响应，是需要做出明确的折中。

输入电容负责吸收高边MOSFET输入电流的交流分量。因此，其RMS电流容量必须足够大，才能处理由高边MOSFET汲取的交流分量。由于质量和低温度系数，陶瓷电容器可以对高频分量进行去耦。降压电容器提供更低频率的RMS电流，这取决于占空比(当系统的工作占空比比50%越大，RMS电流越大)。降压电容可以是几个多层陶瓷电容器。然而在低成本应用中，通常使用几个并联的电解电容器。如果是采用表面贴装，可以选固态钽电容用作降压电容，但是必须仔细核对电容器的浪涌电流等级(浪涌电流通常出现在启动时)。在选择降压转换器系统中的任何电容器时，需要寻找具有小等效串联电容(ESL)、小等效串联电阻(ESR)，最后是所需的总电容。还有，就是根据约算选择最优的器件。对于电容电压等级，还有一点需要注意。为减少难以发现的故障，可以选择电压等级是输入电压的1.2～1.3倍的电容器，也就是说，电压要跨越输入电压的范围。在出现瞬态变化期间，输出电容器必须对输出进行滤波，再向负载提供电流。有

趣的是，等效串联电容(ESR)和电压等级比实际容值对选择什么样的电容器影响更大。请注意，来自电感器的峰峰值电流纹波会通过输出电容器的ESR，转换成峰峰值电压纹波。由于系统可能对输出电压纹波有限制，选择一款最小化ESR 的电容(或一组并联电容器)就变得十分重要。当然，电容器必须有足够的电压等级。根据这些要求，就可以从供应商的电容器清单中选出最合适的方案。最后要注意的一点是，要对ESR数据加以更多的关注，因为数据表里的ESR数据可能并不是在你所选用的开关频率下得出的。请检查数据表，查看调整过的ESR 数值。

一般根据Rds(on)、栅极电荷和热管理需求来选择MOSFET。查看几家制造商的数据表，可以选择象Infineon BSC050N03LS这样的器件，该器件的栅极电荷为35nC，高边MOSFET的Rds(on)为5mΩ。对应地，可以选择Rds(on)为 1.6mΩ的低边MOSFET(BSC016)。

使环路闭合

前面已经讨论过，输出要反馈到输入端，这样就产生了一个补偿环路。补偿的方式有很多种，比如Type I、Type II和Type III。Type I是单极点方案，Type II是带有一个零点的双极点方案，Type III是带有两个零点的三极点方案。每种方案的元器件数量都比前一种要多，不过也使得设计灵活性更好。从性能考虑，通常将这个环路的带宽设置为大约是开关频率的四分之一。环路频率与实际开关频率重叠得越多，环路响应就越快。此外，要确保相位裕量大于30°，小于180°，这是一个典型的稳定性标准。

电压模式转换器的设计流程与磁滞降压转换器的流程类似。幸好，高质量的磁滞模式控制使外部器件的寄生效应不那么重要。其他流程也是类似的。

下面对设计降压转换器的过程稍加总结。选择完控制器IC后，再选择相应的外部器件。对每种选择方案来说，参数的重要程度是不一样的。选定MOSFET、输出电感器、输入和输出电容器后，再设计补偿电路。

人们已经做了大量工作来设计一款良好的降压转换器，而且现在已经有了集成度更高的版本。有些设计集成了MOSFET，有些设计集成了补偿电路，还有的集成了输出电感器，比如Intersil的ISL8201M。用户所需要的只是设定输出电压的电阻、输入电容器和输出电容器，这对忙碌的系统设计者来说的确是个好消息。