如何設(shè)計面向大降壓比應(yīng)用的同步降壓

引言

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中最常用到的拓撲便是降壓轉(zhuǎn)換器。半導體技術(shù)的發(fā)展使得現(xiàn)今的電子設(shè)備能在越來越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至1V電壓下工作。。傳統(tǒng)采用一個二極管的降壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器采用MOSFET來代替二極管，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(zhuǎn)換效率。另一方面，許多應(yīng)用要求的輸入電壓范圍很大。例如汽車應(yīng)用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車電池的電壓一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會達到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(zhuǎn)換器。

具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉(zhuǎn)換器一般采用兩級轉(zhuǎn)換。第一級轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級轉(zhuǎn)換則將中間電壓轉(zhuǎn)換為需要的低輸出電壓。采用兩級轉(zhuǎn)換的原因很多。首先，大降壓比則意味著需要低占空比。例如，一個24V輸入及1.2V輸出的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器而言，這個很低的占空比是無法達到。第二，支持輸出電壓低于1.2V的設(shè)備一般其輸入電壓不會大于10V到15V。但是，根據(jù)之前所述，在汽車等一些設(shè)備中，甚至會出現(xiàn)高達40V的高輸入電壓?？墒?，對于能接受20V以上輸入電壓的設(shè)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(yīng)用來說，采用兩級轉(zhuǎn)換是非常合理。

兩級轉(zhuǎn)換的不良效率

效率是兩級轉(zhuǎn)換器所需要關(guān)注的一個主要問題。盡管對個別級的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換級效率之乘積。比如，圖1所示為一個可將12V或24V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。此外，圖中同樣給出了一個將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V輸出電壓的轉(zhuǎn)換器效率。兩個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換中的這兩個降壓轉(zhuǎn)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

圖2 兩級轉(zhuǎn)換的整體效率

除了效率之外，與單級轉(zhuǎn)換相比(稍后會作介紹)，兩級轉(zhuǎn)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(shù)量約為單級轉(zhuǎn)換的兩倍。此外，由于需要使用兩個電感器，因此需要在兩個轉(zhuǎn)換器之間進行精確的同步以降低干擾。因此，兩級轉(zhuǎn)換的設(shè)計時間較長，而且包括板尺寸、元件成本、生產(chǎn)時間和調(diào)試等在內(nèi)的整體成本也較高。

圖3 LM3103的效率曲線

同步穩(wěn)壓器的設(shè)計

與兩級轉(zhuǎn)換相比，寬輸入范圍和低反饋電壓的同步降壓轉(zhuǎn)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(yīng)用來說，LM3103無疑是最佳的解決方案。為了進一步減少元件數(shù)量， LM3103還把MOSFET嵌入到內(nèi)部，并采用一種恒定導通時間控制方法，省略了補償電路。因此，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計就簡化為對一些元件進行簡單調(diào)節(jié)。下文將詳述如何對元件進行調(diào)節(jié)。

圖4所示為一個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則分別用來過濾高頻噪聲。至于CSS 和CBST 則用于軟啟動和自舉功能， CVCC 和CFB則分別用作內(nèi)部調(diào)節(jié)器和幫助反饋輸出紋波。設(shè)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(nèi)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可通過下式進行計算：

工作頻率

電阻器RON 用于決定轉(zhuǎn)換器的導通時間，而該導通時間是與工作頻率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便可通過下列算式計算出來：

在圖4中， fSW 設(shè)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(shè)計中把VIN定為 12V，則計算出來的L便等于6.55?H.

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

表1 LM3103與兩級轉(zhuǎn)換的對比