如何選擇輸出段元件最大化DC-DC同步降壓轉(zhuǎn)換器性能

　　簡介

　　開關(guān)電源如今在行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，為多種終端應(yīng)用提供高能效方案。它們常用于計(jì)算機(jī)、電動工具、電視、多媒體平板電腦、智能手機(jī)、汽車及其它不計(jì)其數(shù)電子設(shè)備的電源及電池充電電路。

　　消費(fèi)類電子行業(yè)應(yīng)用最普及的轉(zhuǎn)換器之一是DC-DC降壓（step-down，亦稱buck）轉(zhuǎn)換器。

　　簡而言之，同步降壓轉(zhuǎn)換器用于將電壓從較高的電平降至較低的電平。隨著業(yè)界轉(zhuǎn)向更高性能的平臺，電源轉(zhuǎn)換器的能效成為設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵考慮因素。因此，重要的是理解同步降壓轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識，以及怎樣恰當(dāng)?shù)剡x擇電路元件。

　　同步降壓轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)

　　同步降壓轉(zhuǎn)換器的概念簡單，它產(chǎn)生低于輸入電壓的穩(wěn)壓電壓，可以提供大電流，同時(shí)將功率損耗降至最低。

　　圖1：同步降壓轉(zhuǎn)換器電路圖。

　　同步降壓轉(zhuǎn)換器包含2顆功率MOSFET、1顆輸出電感及1顆輸出電容。此特定降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的名稱來源于它的2顆功率MOSFET的控制方法；導(dǎo)通/關(guān)斷（on/off）控制被同步，以提供經(jīng)過穩(wěn)壓的輸出電壓，并防止2顆MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。

　　高邊MOSFET（Q1）直接連接至電路的輸入電壓。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電流通過它提供給負(fù)載。在此期間，低邊MOSFET（Q2）關(guān)斷，流過電感的電流增加，為電感電容（LC）濾波器充電。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，Q2導(dǎo)通，此時(shí)電流通過它提供給負(fù)載。在此期間，渡過電感的電流減小，使LC濾波器放電。當(dāng)兩顆MOSFET都關(guān)斷時(shí)，低邊MOSFET提供額外功能，即通過本體二極管對開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓來鉗位，以防止高邊晶體管首先關(guān)斷時(shí)開關(guān)電壓（VSW）升至太高的負(fù)值。

　　開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓被LC輸出段弄得更平順，從而在輸出端產(chǎn)生穩(wěn)壓直流電壓。兩顆MOSFET被同步控制以防止擊穿（shoot-through），而當(dāng)高邊及低邊MOSFET同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生直接對地短路，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

　　高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)間決定了電路的占空比（duty cycle）。如果占空比等于1，那么高邊MOSFET在全部占空比均處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓。占空比為0.1表示高邊MOSFET僅有10%時(shí)間導(dǎo)通，產(chǎn)生的輸出電壓約為輸入電壓的10%。

　　降壓轉(zhuǎn)換器功率損耗

　　降壓轉(zhuǎn)換器功率損耗受多種因素影響，包括功率MOSFET輸出段、控制器/驅(qū)動器、反饋回路及轉(zhuǎn)換器本身的布線。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的占空比小于0.5，而計(jì)算機(jī)及服務(wù)器市場的降壓轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)占空比是0.1至0.2。

　　設(shè)計(jì)平臺正轉(zhuǎn)向更高開關(guān)頻率，能夠減小轉(zhuǎn)換器尺寸及外形因數(shù)。同時(shí)，轉(zhuǎn)換器必須提供更高性能及更高能效。輸出段性能大幅影響降壓轉(zhuǎn)換器整體性能。因此，重要的是針對特定應(yīng)用優(yōu)化電感及電容選擇。

　　LC輸出段

　　同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出段由電感及電容組成。它儲存及為負(fù)載提供能量，使開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓變得平順以產(chǎn)生恒定輸出電壓。

　　電感選擇直接影響電感電流中的電流紋波的量，以及降壓轉(zhuǎn)換器本身的電流能力。不同制造商制造的電感在材料及電感值方面會有差異，公差通常為± 20%.電感包含固有的直流阻抗（即DCR），會影響輸出段的性能。將DCR降至最低，即提升轉(zhuǎn)換器的整體性能。對于要求大負(fù)載電流的應(yīng)用而言，建議選擇帶低DCR的電感。電感值較低的電感DCR也較低，但在電感與紋波電流之間有折衷；電感越低，流過電感的紋波電流越大。必須達(dá)到最低電感，以符合特定應(yīng)用電路的紋波電流要求。

　　輸出電容直接影響轉(zhuǎn)換器輸出電壓、輸出反饋回路的響應(yīng)時(shí)間，以及負(fù)載電流變化時(shí)出現(xiàn)的輸出電壓過沖的量。直流輸出端存在紋波電壓，因?yàn)榱鬟^電感及電容的電流上升及下降。增加電容會減小存在的紋波電壓的量。然而，在電容與輸出回應(yīng)之間存在折衷。增加電容減小輸出電壓紋波及輸出電壓過沖，但延長了使輸出電壓回路回應(yīng)負(fù)載變化所需的時(shí)間。因此，必須考慮最小電容，以符合轉(zhuǎn)換器的紋波電壓及電壓過沖要求，同時(shí)維持足以快速回應(yīng)負(fù)載變化的反饋回路。

　　電容也包含寄生串行電阻，也就是等效串行電阻（ESR）。ESR影響輸出電壓紋波及轉(zhuǎn)換器整體能效。因此，設(shè)計(jì)人員正轉(zhuǎn)向低ESR設(shè)計(jì)。表面貼裝陶瓷電容在要求高性能、小外形因子的系統(tǒng)中正變得盛行。使用并行的多顆電容使設(shè)計(jì)人員能夠提供系統(tǒng)要求的電容，同時(shí)大幅減小等效的ESR。

　　基本LC設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器輸出段時(shí)，建議從電感開始。最小電感根據(jù)目標(biāo)紋波電流及其它應(yīng)用電路規(guī)范來計(jì)算。一旦選擇好了電感，就可以確定最小電容。

　　在電感與紋波電流之間存在折衷。目標(biāo)紋波電流越少，就相當(dāng)于最小電感越大。為了最佳化輸出濾波器性能，建議設(shè)定20%至40%的目標(biāo)電感紋波電流。

　　需要計(jì)算最大ESR及最小電容，從而在高邊MOSFET關(guān)斷時(shí)維持穩(wěn)壓轉(zhuǎn)出電壓，以及將輸出電壓上存在的紋波的量降至最低。輸出電壓紋波可以表達(dá)為峰值-峰值電壓，或者以電容電壓比（CVR）的形式來表述。

　　輸出電容值及ESR越大，輸出回應(yīng)負(fù)載變化所需經(jīng)歷的時(shí)間就越長。ESR也影響輸出電壓紋波。

　　當(dāng)高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)，流過電感及電容的電流增加，輸出電壓也增加。當(dāng)高邊MOSFET關(guān)斷時(shí)，流過電感及電容的電流下降，輸出電壓也下降。為了提供恒定輸出電壓，轉(zhuǎn)出電流增加的量必須等于電容電流減小的量。因此，流過電容的穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

　　除了顧及輸出紋波電壓及電感紋波電壓對輸出電容的影響，也必須顧及輸出段的瞬時(shí)負(fù)載回應(yīng)能力。同步降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠回應(yīng)負(fù)載電流變化，同時(shí)維持穩(wěn)壓輸出電壓。當(dāng)負(fù)載電流從較高值變?yōu)檩^低值時(shí)，輸出電壓將暫時(shí)增加，直到轉(zhuǎn)換器能夠調(diào)節(jié)占空比，以使輸出電壓返回至它的穩(wěn)壓值。此暫時(shí)輸出電壓增加稱作輸出電壓過沖。當(dāng)負(fù)載從最大負(fù)載過渡到空載時(shí)，就出現(xiàn)最壞情況過沖。輸出電容必須能夠處理此瞬時(shí)條件。輸出電壓瞬時(shí)回應(yīng)與輸出電壓紋波之間存在折衷。此兩項(xiàng)因素必須平衡取舍以滿足特定應(yīng)用需求。

　　選擇電容時(shí)一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇值比計(jì)算的最小電容高最少20%的輸出電容，從而顧及到電壓公差。

　　降壓轉(zhuǎn)換器輸出濾波器設(shè)計(jì)影響輸出電流紋波、輸出電壓紋波、輸出電壓過沖以及反饋回路的瞬時(shí)回應(yīng)。元件選擇也影響轉(zhuǎn)換器的能效。影響同步降壓轉(zhuǎn)換器能效的最大因素是輸出電感選擇。電感值及DCR都會大幅影響性能。

　　結(jié)論

　　同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出段在轉(zhuǎn)換器性能方面發(fā)揮重要作用。為了達(dá)到目標(biāo)紋波電流、輸出紋波電壓及輸出過沖，必須選擇超過最小電感值和最小電容值的電感和電容。當(dāng)針對特定應(yīng)用選擇電感及電容時(shí)，還必須顧及其它因素。輸出段可以通過針對它將工作的特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)而最佳化。

　　電感值在輸出紋波電流以及轉(zhuǎn)換器的能效性能方面發(fā)揮重要作用。此外，輸出電容較高時(shí)，輸出電壓紋波也會改善。轉(zhuǎn)換器的能效受使用的電感的DCR大幅影響。

　　電感與電感飽和電流之間存在折衷。因此，為了符合或超越紋波電流要求，電感必須大于計(jì)算的最小電感值，而電感飽和電流必須大于最大負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)換器的峰值電流。

　　電容也在同步降壓轉(zhuǎn)換器性能方面發(fā)揮重要作用。輸出電容直接影響電壓紋波的量及輸出段的電壓過沖。然而，電容對轉(zhuǎn)換器的能效性能的影響極小。