效率高達(dá)96%的降壓/升壓型DC/DC穩(wěn)壓器解決方案

　　降壓型和升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決了單向電壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題，它們總是調(diào)節(jié)分別低于或高于輸入電源的電壓。然而，如果輸入電源出現(xiàn)高于、等于或低于輸出電壓的變化 (即雙向變化)，如何準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電壓呢？人們一直在用不同和更加復(fù)雜的 DC/DC 拓?fù)鋪?lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　例如，很多電池備份系統(tǒng)采用反激式拓?fù)?，在這種系統(tǒng)中，電池電壓視充電狀態(tài)和充電容量的不同而有所不同。在輸入電源調(diào)節(jié)不佳的系統(tǒng)中，降壓/升壓型拓?fù)湟彩怯杏玫慕鉀Q方案，在這種系統(tǒng)中，輸入電源可能上升到高于或下降到低于所希望的輸出電壓值。

　　從反激式、SEPIC、同步式直到微型模塊穩(wěn)壓器系統(tǒng)

　　設(shè)計(jì)一個(gè)不受輸入電壓相關(guān)值影響 (不管 VIN是高于還是低于VOUT) 都能調(diào)節(jié)固定輸出的 DC/DC 穩(wěn)壓器的早期方法是采用反激式拓?fù)?。這么多年來(lái)人們?nèi)匀辉谑褂梅醇な酵負(fù)洌驗(yàn)榇蠖鄶?shù)模擬電路工程師都非常熟悉反激式拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，而且除了工程師非常了解磁性組件和 MOSFET 的工作規(guī)律這一點(diǎn)，反激式設(shè)計(jì)還相當(dāng)簡(jiǎn)單。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)某些 DC/DC 轉(zhuǎn)換的反激式穩(wěn)壓器可能需要一個(gè)特殊的變壓器設(shè)計(jì)，而且就今天的大多數(shù)應(yīng)用而言，反激式穩(wěn)壓器的效率常常太

低。這就導(dǎo)致出現(xiàn)了另一種方法：SEPIC。

　　SEPIC 是單端主電感轉(zhuǎn)換器的縮寫。除了名字非常復(fù)雜以外，SEPIC 設(shè)計(jì)的基本要素包括一個(gè) DC/DC 升壓型轉(zhuǎn)換器集成電路、一個(gè)耦合電感器或變壓器。大功率 SEPIC 設(shè)計(jì)還需要外部功率MOSFET，這種 MOSFET 常常很大，因?yàn)樗鼈儽仨毘惺芩矐B(tài)高壓并提供低的RDS(ON)。耦合電感器常常不是現(xiàn)售電感器，這個(gè)電感器制作得好不好對(duì)電源設(shè)計(jì)的性能有重大影響。另外，SEPIC的工作效率為67% ~ 86%，效率受到轉(zhuǎn)換比、磁性組件選擇、電容器、MOSFET等很多因素的影響，在某種程度上，與反激式拓?fù)涞男室约坝绊懸蛩匾差愃?。布局?duì)穩(wěn)定性和熱量管理也有非常關(guān)鍵的影響。

　　就那些需要大功率降壓/升壓型轉(zhuǎn)換器，但由于效率低和熱量問(wèn)題而無(wú)法接受反激式拓?fù)浜蚐EPIC的應(yīng)用而言，幾年前已經(jīng)出現(xiàn)了采用單電感器4開(kāi)關(guān)降壓/升壓型控制器的解決方法。其電路和架構(gòu)可以在60W（12V、5A）輸出時(shí)非常容易地實(shí)現(xiàn) 90% ~ 95% 的效率。這對(duì)那些對(duì)散熱感到頭痛的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是個(gè)非常好的消息。這種解決方案滿足了大多數(shù)應(yīng)用的功率需求，而且以非常高的效率提供功率，同時(shí)從降壓到升壓或從升壓到降壓的不同工作模式之間的轉(zhuǎn)換可以無(wú)縫進(jìn)行。采用4個(gè)MOSFET、一個(gè)現(xiàn)售無(wú)耦合電感器、同步DC/DC控制器（凌力爾特公司的LTC3780）和補(bǔ)償電路，再加上良好的布局知識(shí)，設(shè)計(jì)師就可以實(shí)現(xiàn)尺寸較小和效率較高的設(shè)計(jì)。圖1比較了SEPIC和這種降壓/升壓型同步解決方案。

　　一種簡(jiǎn)練的降壓/升壓型解決方案

　　與反激式拓?fù)浠騍EPIC相比，同步4開(kāi)關(guān)降壓/升壓型方案允許設(shè)計(jì)師提供更大的功率，同時(shí)也產(chǎn)生更少的熱量。磁性組件也更容易得到，無(wú)需特殊電感器或變壓器繞組。不過(guò)，有些人可能熟悉這種大約需要 24 個(gè)組件的電路，而有些人可能沒(méi)有模擬設(shè)計(jì)專長(zhǎng)或者需要在很緊張的時(shí)間里完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這時(shí)最不希望的事情就是絞盡腦汁處理項(xiàng)目的電源部分。

　　不久前，凌力爾特公司發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以將 LTC3780 降壓/升壓電路的 90% 集成到一個(gè)15mm×15mm×2.8mm、重1.5g、像一個(gè)表面貼裝集成電路的焊盤網(wǎng)格陣列（LGA）封裝中。它僅需要一個(gè)現(xiàn)售電感器、一個(gè)用來(lái)設(shè)置輸出電壓的電阻、一個(gè)檢測(cè)電阻和一些大容量輸入輸出電容器。MOSFET、補(bǔ)償電路和復(fù)雜的DC/DC 控制器都集成到了具有保護(hù)作用的塑料模制封裝中。圖2比較了這種DC/DC微型模塊（mModule）降壓/升壓電路和分立的LTC3780設(shè)計(jì)。

　　效率高達(dá) 94% ~ 98%

　　LTM4605 和 LTM4607 降壓/升壓型微型模塊穩(wěn)壓器完全由采用凌力爾特公司芯片設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的 DC/DC控制器和MOSFET做成。因?yàn)樗行酒际橇枇柼毓驹O(shè)計(jì)和制造的，因此該微型模塊對(duì)大功率降壓/升壓工作實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。MOSFET 柵極電荷、RDS(ON)、VDS和DC/DC控制器強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器一起實(shí)現(xiàn)了令人驚訝的性能 (圖3)。圖3所示為一個(gè)60W設(shè)計(jì)，但是這里僅消耗2W。這個(gè)設(shè)計(jì)可以放入最受限的空間中。布局也非常簡(jiǎn)單，不可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。布局在數(shù)據(jù)表（www.linear.com..cn/micromodule）中提供。這兩個(gè)器件的大功率版本是LTM4607，其額定輸入電壓為4.5V ~ 36V，額定輸出電壓為0.8V ~ 24V，并能夠提供高達(dá)160W的額定功率。

　　結(jié)論
　　模擬開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)除了要具有選擇組件值時(shí)所需的數(shù)學(xué)知識(shí)，還需要具有物理知識(shí)，如布局的影響、接地平面、印刷電路板通孔、焊接和熱量管理。凌力爾特提供的只需要最低限度電源設(shè)計(jì)工作的大功率和高效率降壓/升壓型解決方案可以減輕很多數(shù)字電路設(shè)計(jì)師的煩惱和憂慮。