工程師該如何設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的降壓轉(zhuǎn)換器具有所有轉(zhuǎn)換器當(dāng)中最高的效率。高效率意味著轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗更少，而且能簡(jiǎn)化熱管理。
圖1顯示了一種降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的基本原理，即同步降壓轉(zhuǎn)換器?！巴浇祲骸敝傅氖?/FONT>MOSFET用作低邊開(kāi)關(guān)。相對(duì)應(yīng)的，標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器要使用一個(gè)肖特基二極管做為低邊開(kāi)關(guān)。與標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器相比，同步降壓穩(wěn)壓器的主要好處是效率更高，因?yàn)?MOSFET的電壓降比二極管的電壓降要低。低邊和高邊MOSFET的定時(shí)信息是由脈寬調(diào)制(PWM)控制器提供的?？刂破鞯妮斎胧莵?lái)自輸出端反饋回來(lái)的電壓。這個(gè)閉環(huán)控制使降壓轉(zhuǎn)換器能夠根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)輸出。PWM模塊的輸出是一個(gè)用來(lái)升高或降低開(kāi)關(guān)頻率的數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)驅(qū)動(dòng)一對(duì)MOSFET。信號(hào)的占空比決定了輸入直接連到輸出的導(dǎo)通時(shí)間的百分比。因此，輸出電壓是輸入電壓和占空比的乘積。
選擇IC
上面提到的控制環(huán)路使降壓轉(zhuǎn)換器能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。這種環(huán)路有幾種實(shí)現(xiàn)方法。最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器使用的是電壓反饋或電流反饋。這些轉(zhuǎn)換器很耐用，控制方式很直接，而且性價(jià)比很好。由于降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始用于各種應(yīng)用中，這種轉(zhuǎn)換器的一些弱點(diǎn)也開(kāi)始暴露出來(lái)。以圖形卡的供電電路為例。當(dāng)視頻內(nèi)容變化時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載也會(huì)變化。供電系統(tǒng)能應(yīng)付各種負(fù)載變化，但在輕負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換效率降得很快。如果用戶關(guān)心的是效率，就需要有更好的降壓轉(zhuǎn)換器方案。
一種改進(jìn)方法是所謂的磁滯控制，Intersil的ISL62871就是采用這種控制方法的器件。轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載的曲線如圖2所示。這些轉(zhuǎn)換器是針對(duì)最差工作條件設(shè)計(jì)的，因此輕負(fù)載不是持續(xù)的工作條件。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載波動(dòng)變化的適應(yīng)性更好，并且不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。
圖2，Intersil ISL62871的負(fù)載與效率曲線，Vout=1.1V
選擇開(kāi)關(guān)頻率
盡管器件的開(kāi)關(guān)頻率有時(shí)是固定的，還是有必要討論開(kāi)關(guān)頻率的問(wèn)題，主要的權(quán)衡因素是效率。簡(jiǎn)而言之，MOSFET有確定的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)頻率增加時(shí)，過(guò)渡時(shí)間在總時(shí)間中所占的百分比會(huì)增加。結(jié)果是：效率降低了。如果效率是最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就需要考慮降低開(kāi)關(guān)頻率。如果系統(tǒng)效率足夠高，就可以采用更高的開(kāi)關(guān)頻率。頻率更高，就可以使用更小的外部無(wú)源器件，即輸出電感器和電容器。
外部器件
設(shè)計(jì)分立解決方案是相當(dāng)有難度的，大約需要40個(gè)器件，這是個(gè)需要額外付出大量努力的復(fù)雜工作。在設(shè)計(jì)電壓模式降壓控制器時(shí)，外部器件和其寄生效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能起了很大的決定作用。在討論每種器件時(shí)，我們?cè)僭敿訑⑹觥?BR>
采用這種特殊降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，我們必須選擇5個(gè)額外器件，包括輸入電容、輸出電容、輸出電感器，高邊和低邊MOSFET。選擇輸出電感器時(shí)，要滿足輸出紋波的要求，以及減小PWM對(duì)瞬態(tài)負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間。電感器感值的下限是由紋波要求確定的。在尋找最小(可能也是最便宜的)電感器之前，要記住的一點(diǎn)是，電感器并不是完美的器件。實(shí)際的電感器有飽和等級(jí)。飽和級(jí)別必須高于系統(tǒng)中的峰值電流，才能設(shè)計(jì)出成功的產(chǎn)品。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者還明白，感值并不是不隨電流變化的常量。事實(shí)上，流過(guò)器件的電流越大，感值會(huì)降低的。請(qǐng)核實(shí)電感器的數(shù)據(jù)表，確保你所選擇的感值對(duì)系統(tǒng)中的峰值電流是足夠的。在更大層面上可能犯的錯(cuò)誤是選擇最好的電感，雖然小心謹(jǐn)慎還是必要的。更大的感值可以減少輸出紋波，但也會(huì)限制壓擺率。最終，大電感會(huì)限制對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間。因此在選擇電感器時(shí)，是選擇在更低的峰峰值紋波電流條件下更安靜的輸出，還是需要系統(tǒng)能夠?qū)λ矐B(tài)事件做出快速的響應(yīng)，是需要做出明確的折中。
輸入電容負(fù)責(zé)吸收高邊MOSFET輸入電流的交流分量。因此，其RMS電流容量必須足夠大，才能處理由高邊MOSFET汲取的交流分量。由于質(zhì)量和低溫度系數(shù)，陶瓷電容器可以對(duì)高頻分量進(jìn)行去耦。降壓電容器提供更低頻率的RMS電流，這取決于占空比(當(dāng)系統(tǒng)的工作占空比比50%越大，RMS電流越大)。降壓電容可以是幾個(gè)多層陶瓷電容器。然而在低成本應(yīng)用中，通常使用幾個(gè)并聯(lián)的電解電容器。如果是采用表面貼裝，可以選固態(tài)鉭電容用作降壓電容，但是必須仔細(xì)核對(duì)電容器的浪涌電流等級(jí)(浪涌電流通常出現(xiàn)在啟動(dòng)時(shí))。在選擇降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的任何電容器時(shí)，需要尋找具有小等效串聯(lián)電容(ESL)、小等效串聯(lián)電阻(ESR)，最后是所需的總電容。還有，就是根據(jù)約算選擇最優(yōu)的器件。對(duì)于電容電壓等級(jí)，還有一點(diǎn)需要注意。為減少難以發(fā)現(xiàn)的故障，可以選擇電壓等級(jí)是輸入電壓的1.2～1.3倍的電容器，也就是說(shuō)，電壓要跨越輸入電壓的范圍。
在出現(xiàn)瞬態(tài)變化期間，輸出電容器必須對(duì)輸出進(jìn)行濾波，再向負(fù)載提供電流。有趣的是，等效串聯(lián)電容(ESR)和電壓等級(jí)比實(shí)際容值對(duì)選擇什么樣的電容器影響更大。請(qǐng)注意，來(lái)自電感器的峰峰值電流紋波會(huì)通過(guò)輸出電容器的ESR，轉(zhuǎn)換成峰峰值電壓紋波。由于系統(tǒng)可能對(duì)輸出電壓紋波有限制，選擇一款最小化ESR的電容(或一組并聯(lián)電容器)就變得十分重要。當(dāng)然，電容器必須有足夠的電壓等級(jí)。根據(jù)這些要求，就可以從供應(yīng)商的電容器清單中選出最合適的方案。最后要注意的一點(diǎn)是，要對(duì)ESR數(shù)據(jù)加以更多的關(guān)注，因?yàn)閿?shù)據(jù)表里的ESR數(shù)據(jù)可能并不是在你所選用的開(kāi)關(guān)頻率下得出的。請(qǐng)檢查數(shù)據(jù)表，查看調(diào)整過(guò)的 ESR數(shù)值。
一般根據(jù)Rds(on)、柵極電荷和熱管理需求來(lái)選擇MOSFET。查看幾家制造商的數(shù)據(jù)表，可以選擇象Infineon BSC050N03LS這樣的器件，該器件的柵極電荷為35nC，高邊MOSFET的Rds(on)為5mΩ。對(duì)應(yīng)地，可以選擇Rds(on)為1.6mΩ的低邊MOSFET(BSC016)。
使環(huán)路閉合
前面已經(jīng)討論過(guò)，輸出要反饋到輸入端，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)補(bǔ)償環(huán)路。補(bǔ)償?shù)姆绞接泻芏喾N，比如Type I、Type II和Type III。Type I是單極點(diǎn)方案，Type II是帶有一個(gè)零點(diǎn)的雙極點(diǎn)方案，Type III是帶有兩個(gè)零點(diǎn)的三極點(diǎn)方案。每種方案的元器件數(shù)量都比前一種要多，不過(guò)也使得設(shè)計(jì)靈活性更好。從性能考慮，通常將這個(gè)環(huán)路的帶寬設(shè)置為大約是開(kāi)關(guān)頻率的四分之一。環(huán)路頻率與實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率重疊得越多，環(huán)路響應(yīng)就越快。此外，要確保相位裕量大于30°，小于180°，這是一個(gè)典型的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。
電壓模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)流程與磁滯降壓轉(zhuǎn)換器的流程類似。幸好，高質(zhì)量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應(yīng)不那么重要。其他流程也是類似的。
下面對(duì)設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的過(guò)程稍加總結(jié)。選擇完控制器IC后，再選擇相應(yīng)的外部器件。對(duì)每種選擇方案來(lái)說(shuō)，參數(shù)的重要程度是不一樣的。選定MOSFET、輸出電感器、輸入和輸出電容器后，再設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路。
人們已經(jīng)做了大量工作來(lái)設(shè)計(jì)一款良好的降壓轉(zhuǎn)換器，而且現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度更高的版本。有些設(shè)計(jì)集成了MOSFET，有些設(shè)計(jì)集成了補(bǔ)償電路，還有的集成了輸出電感器，比如Intersil的ISL8201M。用戶所需要的只是設(shè)定輸出電壓的電阻、輸入電容器和輸出電容器，這對(duì)忙碌的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)的確是個(gè)好消息。
評(píng)論