高頻率、高輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)例

　　圖1所示電路用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)臺(tái)上每種設(shè)計(jì)的性能。示意圖中沒(méi)有值的一些組件，為設(shè)計(jì)中修改了的組件。輸出濾波器由L1和C2組成。所有三種設(shè)計(jì)的組件值都列舉在表1中，這些值的選擇是基于方程式1a到2b的結(jié)果。注意，每個(gè)電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因?yàn)檩^少的匝數(shù)所需的銅長(zhǎng)度更短。我們單獨(dú)為每個(gè)開關(guān)頻率設(shè)計(jì)了誤差放大器補(bǔ)償組件。選擇補(bǔ)償值的計(jì)算方法，超出了本文討論的范圍。

　　最小“導(dǎo)通”時(shí)間

　　最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間限制是DC/DC轉(zhuǎn)換器IC的一個(gè)特點(diǎn)，其為脈寬調(diào)制(PWM)電路的最窄可達(dá)脈寬。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)周期期間功率MOSFET導(dǎo)通的時(shí)間百分比被稱作占空比，其等于輸出電壓與輸入電壓的比。使用TPS54160轉(zhuǎn)換器時(shí)，占空比為0.104(4 V/48 V)，而數(shù)據(jù)表中列出的最小“導(dǎo)通”時(shí)間為130 ns?？煽孛}寬限制產(chǎn)生一個(gè)最小可達(dá)占空比，而用最小“導(dǎo)通”時(shí)間乘以開關(guān)頻率，我們可以輕松地計(jì)算出該占空比的大小。一旦知道了最小占空比，利用VIN乘以最小占空比，我們便可以計(jì)算出最低可達(dá)輸出電壓。最低輸出電壓同樣也受轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓的限制，使用TPS54160時(shí)其為0.8V。

　　本例中，我們可以通過(guò)750-kHz開關(guān)頻率來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5-V輸出電壓(參見(jiàn)表2)。但是，如果該頻率為1 MHz，則最低可能輸出電壓被限制為約6V;否則，DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)跳過(guò)脈沖。替代方法是降低輸入電壓或者頻率。在選擇某個(gè)開關(guān)頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表，了解保證最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間。

　　脈沖跳躍

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法足夠快速地清除門驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)維持理想占空比時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)脈沖跳躍。電源會(huì)嘗試調(diào)節(jié)輸出電壓，但由于距離更遠(yuǎn)的脈沖，紋波電壓會(huì)增加。由于存在脈沖跳躍，輸出紋波會(huì)呈現(xiàn)出分諧波成分，其可能出現(xiàn)噪聲問(wèn)題。限流電路也可能不再正常工作，因?yàn)镮C可能不響應(yīng)大電流峰值。一些情況下，如果控制器不正常工作，控制環(huán)路便可能會(huì)不穩(wěn)定。

　　效率和功耗

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率，是進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的最重要屬性之一。低效率會(huì)轉(zhuǎn)換成高功耗，必須要在印刷電路板(PCB)上使用單獨(dú)的散熱器或者更多的銅，才能處理這些功耗。功耗也對(duì)電源上游器件提出了更高的要求。如表3所示，功耗共有幾個(gè)組成部分。

　　三個(gè)例子的重要損耗組成部分，來(lái)自于FET驅(qū)動(dòng)損耗、FET開關(guān)損耗和電感損耗。FET電阻和IC損耗是一致的，因?yàn)樗腥齻€(gè)設(shè)計(jì)中都使用了相同的IC。由于所有例子中都選擇了低ESR的陶瓷電容，因此電容損耗可以忽略不計(jì)。為了表明高頻開關(guān)的影響，我們對(duì)每個(gè)例子的效率都進(jìn)行了測(cè)量，并將其顯示在圖2中。該圖清楚地表明，效率隨開關(guān)頻率增加而下降。若想提高所有頻率下的效率，需要尋找到一種全負(fù)載狀態(tài)下低漏到源“導(dǎo)通”電阻、低門電荷或者低靜態(tài)電流規(guī)范的DC/DC轉(zhuǎn)換器;或者尋找到一些具有更低等效電阻的電容和電感。

　　表 1 三個(gè)舉例電源設(shè)計(jì)的電容和電感選擇

　　表 2 130-ns最小“導(dǎo)通”時(shí)間的最小輸出電壓

　　表 3 功耗組成部分

　　圖 2 三個(gè)舉例頻率下 TPS54160 的效率

　　組件尺寸

　　表4列出了三種設(shè)計(jì)要求的總電路板面積，以及電容和電感的焊盤面積。電容或者電感的建議焊盤面積，稍稍大于單個(gè)組件本身，且三種設(shè)計(jì)舉例均使用了該面積。每個(gè)組件占用的面積相加(其包括IC、濾波器以及所有其它小型電阻器和電容的焊盤尺寸)，然后將得到的結(jié)果乘以2倍(考慮到組件的間距)，便得到總面積。100-kHz和750-kHz設(shè)計(jì)之間存在近250 mm2的總面積節(jié)省，從而使濾波器體積縮小50%，而板空間占用減少55%。但是，存在收益遞減規(guī)律，因?yàn)殡娙莺碗姼兄禑o(wú)法減少至零!換句話說(shuō)，不斷推高頻率并不能夠一直減小總尺寸，因?yàn)槟銦o(wú)法總是能夠在市場(chǎng)上買到這些尺寸適合且批量生產(chǎn)的電感和電容。注意，33-µH和15-µH電感占用相同的面積。存在這種可能性，是因?yàn)?3-µH電感的高度為3.5 mm，而15-µH電感僅高2.4 mm。我們想通過(guò)這兩種電感來(lái)說(shuō)明的觀點(diǎn)是：電感與體積成正比例關(guān)系。

　　表 4 組件尺寸和總面積要求

　　圖 3 100kHz、300 kHz和750 kHz 的波特圖