選擇正確的DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲

基于電子設(shè)備的處理器系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常在選擇最佳電源架構(gòu)時遇到困難。有時最佳的解決方案是插入式電源，而有時采用分立的元件組成的電源才是最佳解決方案。選擇插入式電源解決方案相對來說比較直接，但對于缺乏電源設(shè)計經(jīng)驗的數(shù)字設(shè)計人員來說，設(shè)計一個分立電源解決方案可能會使他望而卻步。大多 DC/DC 電源控制 IC 供應(yīng)商均可提供有助于電路設(shè)計的詳細輔助材料。但是，在開始電源設(shè)計之前，設(shè)計人員必須選擇正確的拓撲。本文將介紹以下方法，來幫助為某些用于MCU、DSP及基于 FPGA  的電子產(chǎn)品的最常用結(jié)構(gòu)選擇正確的電源拓撲。

圖1  無感應(yīng)器開關(guān)轉(zhuǎn)換器效率曲線示例

圖2  基于感應(yīng)器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器效率曲線示例

線性調(diào)節(jié)器／控制器
線性調(diào)節(jié)器是最簡單的轉(zhuǎn)換器，它把高輸入電壓降低為低輸出電壓，其輸入電流等于輸出電流。線性調(diào)節(jié)器由誤差放大器、參考電壓及路徑元件組成，可以進行完全集成，也可以由控制 IC 與外部路徑元件構(gòu)成。路徑元件可以是雙極晶體管或 MOSFET。線性調(diào)節(jié)器的優(yōu)點在于其簡易性與相對無噪聲／波紋的輸出電壓，它需要的唯一無源輔助元件是輸入與輸出電容器。其主要缺點是，對于輸入／輸出壓差較大的應(yīng)用來說，效率極低。功耗是以散熱的形式損耗的，因此，如果應(yīng)用具有較大輸出電流，調(diào)節(jié)器封裝的功耗要求會很高。由于可以選擇路徑元件來提供更高的電流及適當(dāng)?shù)纳崃浚虼嗽诟唠娏麟娖綍r，采用外部路徑元件的線性調(diào)節(jié)器只有少許優(yōu)勢。
線性調(diào)節(jié)器的另一個限制是它要求具備最低輸入－輸出壓差或壓降，以便保持調(diào)節(jié)。即使在高電流電平時，許多采用內(nèi)部路徑元件的最新調(diào)節(jié)器仍然具有極低的壓降，因此能夠以極低的輸入電壓運行。例如，采用 1.5V 固定輸出電壓的TPS72515 就可在僅 1.8V 下以  750mA 輸出電流運行，因此可達到83％的效率。

無感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
開關(guān)調(diào)節(jié)器在分立包中把能量從輸入移到輸出。感應(yīng)器或電容器可作為能量存儲單元，將能量從電源電路的輸入移到輸出。與只能降低電壓的線性調(diào)節(jié)器不同，這些轉(zhuǎn)換器可以升高、降低或轉(zhuǎn)換輸入電壓。另外，能量存儲單元可實現(xiàn)不相等的輸入／輸出電流。例如，開關(guān)調(diào)節(jié)器可將 5V 的低電流電源降低為 3.3V 的高電流電源，或者把 3.3V 的高電流電源升高為 5V 的低電流電源。因此，這些轉(zhuǎn)換器可以達到比線性調(diào)節(jié)器高得多的效率。
最簡單的開關(guān)調(diào)節(jié)器是“無感應(yīng)器”開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，也稱充電泵。充電泵采用多個開關(guān)及電容器把電荷通過一個或多個“飛速”電容器從輸入電源移動到輸出電容器。這種轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點在于設(shè)計簡單并具有高效性。圖1顯示了 TPS60130 300mA、無感應(yīng)器開關(guān)電容器的效率曲線。
為了在大輸入－輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的效率，轉(zhuǎn)換器可以在乘法模式(如1.5X、2X 等)之間切換。乘法模式的改變會造成圖1效率曲線的步進改變。如果沒有反饋調(diào)節(jié)的話，這種轉(zhuǎn)換器只能以成倍的輸入電壓提供輸出電壓。因此，存在不同的反饋調(diào)節(jié)方法來提供不同的輸出電壓，每種反饋方法都會不同地影響轉(zhuǎn)換器的效率與波紋，因此應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需要進行選擇。

基于感應(yīng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器
基于感應(yīng)器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器 IC 包含控制電路與至少一個集成開關(guān)，而開關(guān)控制器 IC 只有控制電路且需要外部開關(guān)。帶有外部開關(guān)且基于感應(yīng)器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器與控制器的輸出電流范圍比無感應(yīng)器的轉(zhuǎn)換器更廣泛。還存在幾種其他配置，其中一些配置是上述基本降壓、升壓及反向轉(zhuǎn)換器的簡單組合，因此為特定應(yīng)用提供了更多功能或更高的性能。所有這些開關(guān)轉(zhuǎn)換器均至少將一個感應(yīng)器用作儲能單元與輸出電容器。與開關(guān)轉(zhuǎn)換器、線性調(diào)節(jié)器及無感應(yīng)器開關(guān)轉(zhuǎn)換器相比，大負載范圍的高效性是其主要優(yōu)勢。圖2為 TPS62200 降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。
開關(guān)轉(zhuǎn)換器的主要缺點是成本(包含設(shè)計時間、元件數(shù)及板尺寸)，以及輸出噪聲／波紋。設(shè)計時間包括檢查各種配置、開關(guān)方式、操作模式以及反饋控制方案等，其中每種都會有較高的成本、效率及輸出噪聲影響。限制成本、最小化板面積及提供高效率與低波紋的關(guān)鍵，還在于選擇外部元件，包括感應(yīng)器、輸出電容器、以及可能用于外部開關(guān)的二極管或 FETS。所有這些設(shè)計選擇都使開關(guān)轉(zhuǎn)換器黯然失色，但是它能夠提供高效率，某些情況下甚至高達95％以上，這就彌補了設(shè)計時間和元件成本的劣勢。
針對具體應(yīng)用，權(quán)衡成本、效率、以及輸出噪聲或波紋，來選擇最佳的分立 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。表1根據(jù)4個因素對比了各種轉(zhuǎn)換器：最高輸出電流、效率、輸出波紋／噪聲及總成本。
一旦選擇了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲，設(shè)計人員就可以利用制造商提供的設(shè)計輔助材料來選擇能夠?qū)崿F(xiàn)最高效率、最低成本、最低輸出噪聲及波紋的轉(zhuǎn)換器設(shè)計。■