TI工程師提供開關(guān)模式電源 (SMPS) ——降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于當(dāng)前有許多不同的半導(dǎo)體，因此在為車載應(yīng)用設(shè)計(jì)一款降壓或降壓模式轉(zhuǎn)換器時(shí)就可能會(huì)用到廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（請(qǐng)參見圖 1）。本文對(duì)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了高層次的概述。

圖 1 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

外部開關(guān)與集成開關(guān)

降壓轉(zhuǎn)換器解決方案有許多集成開關(guān)和外部開關(guān)，后者通常被稱為步降或降壓控制器。這兩種方案具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在兩種方案之間進(jìn)行選擇時(shí)必須要考慮到其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

許多內(nèi)部開關(guān)都具有低組件數(shù)量的優(yōu)勢(shì)，這一優(yōu)點(diǎn)使這些開關(guān)擁有較小的尺寸，可以用于許多低電流應(yīng)用中。由于其集成性，在表現(xiàn)出良好 EMI 性能的同時(shí)，它們均可以在高溫或其他外部可能出現(xiàn)的受影響的條件下得到保護(hù)。但是它們也有不足之處，即電流和散熱極限問題。而外部開關(guān)則提供了更大的靈活性，電流處理能力僅受外部 FET 選擇的限制。在負(fù)極側(cè)，外部開關(guān)具有更多的組件數(shù)量且必須得到保護(hù)以免受到潛在問題的損壞。

為了處理更高的電流，當(dāng)然開關(guān)也要更大些，這就使得集成更加昂貴，因?yàn)槠湫枰加霉?/FONT>芯片更大的寶貴空間并且可能需要采用更大的封裝。另外功耗問題可能也是一個(gè)難題。因此，根據(jù)推理我們可以得出這樣的結(jié)論：對(duì)于較高的輸出電流（通常高于 5A）而言，外部開關(guān)是其上佳之選。

同步整流與異步整流

僅具有一個(gè)開關(guān)的異步或非同步整流器降壓轉(zhuǎn)換器要求在低位通路中有一個(gè)續(xù)流二極管，而在具有兩個(gè)開關(guān)的同步整流器降壓轉(zhuǎn)換器中，第二個(gè)開關(guān)取代了上述續(xù)流二極管（請(qǐng)參見圖 2）。與同步解決方案相比，雖然異步整流器具有可提供較為便宜的解決方案的優(yōu)點(diǎn)，但是其效率卻不是很高。

圖 2 SMPS——異步和同步整流

利用一個(gè)同步整流器拓?fù)洳岩粋€(gè)外部肖特基二極管與低位開關(guān)并聯(lián)將可以獲得最高的效率。相對(duì)于肖特基二極管，由于在“開啟”狀態(tài)下存在一個(gè)較低的壓降，因此這種低位開關(guān)的更高復(fù)雜度提高了效率。在停滯時(shí)間期間（兩個(gè)開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)），與 FET 內(nèi)部背柵二極管相比，外部肖特基二極管具有更低的壓降性能。

外部補(bǔ)償與內(nèi)部補(bǔ)償

一般來說，采用外部開關(guān)的降壓控制器可提供外部補(bǔ)償，因?yàn)樗麄兯m合的應(yīng)用非常廣泛。外部補(bǔ)償有助于控制環(huán)路適應(yīng)各種外部組件，如：FET、電感以及輸出電容。

對(duì)于具有集成開關(guān)的轉(zhuǎn)換器而言，一般都會(huì)用到外部補(bǔ)償和內(nèi)部補(bǔ)償。集成補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了極快的工藝驗(yàn)證周期以及較小的 PCB 解決方案尺寸。

內(nèi)部補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)可以概括為易用性，因?yàn)橹恍枰獙?duì)輸出濾波器進(jìn)行配置、快速設(shè)計(jì)、較低的組件數(shù)量以及因此帶來的低電流應(yīng)用小尺寸解決方案。其缺點(diǎn)就是靈活性較差且輸出濾波器必須服從于內(nèi)部補(bǔ)償。然而，外部補(bǔ)償卻提供了更大的靈活性，可以根據(jù)所選的輸出濾波器對(duì)補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，對(duì)于較大電流而言，該補(bǔ)償可以是一個(gè)較小的解決方案，但是這種應(yīng)用更為困難。

電流模式控制與電壓模式控制

在圖 1 所描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，仍然存在許多可以進(jìn)一步差異化的方面。例如，調(diào)節(jié)環(huán)路的拓?fù)湟约八褂玫拈_關(guān)類型就可以是不同的。

調(diào)節(jié)器本身可以以電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。在電壓模式控制時(shí)，輸出電壓為控制環(huán)路提供了主反饋，且前饋補(bǔ)償通常是通過使用輸入電壓作為一個(gè)次級(jí)控制環(huán)路來實(shí)施的，以增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)行為。在電流模式控制時(shí)，電流為控制環(huán)路提供了主反饋。根據(jù)控制環(huán)路的不同，其可以是輸入電流、電感電流或輸出電流。次級(jí)控制環(huán)路為輸出電壓。

電流模式控制具有可提供快速反饋環(huán)路響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，但是其要求具有斜率補(bǔ)償，需要開關(guān)噪聲濾波以進(jìn)行電流測(cè)量，且在電流檢測(cè)分路上存在功率損耗。電壓模式控制不需要斜率補(bǔ)償，并且可提供具有前饋補(bǔ)償?shù)目焖俚姆答伃h(huán)路響應(yīng)，雖然在這里推薦使用瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)性能，但是誤差放大電路可能要求更高的帶寬。

電流和電壓模式控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均適合于為了用于大多數(shù)應(yīng)用進(jìn)行的調(diào)整。在許多情況下，電流模式控制拓?fù)涠家笥幸粋€(gè)額外的電流測(cè)量分路電阻器。具有集成前饋補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｊ酵負(fù)鋵?shí)現(xiàn)了幾乎相同的反饋環(huán)路響應(yīng)，而無需電流環(huán)路檢測(cè)電阻器。此外，前饋補(bǔ)償還簡(jiǎn)化了補(bǔ)償設(shè)計(jì)。許多最近的開發(fā)工作都是利用電壓模式控制拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的。

開關(guān)、NMOS-FET 與 PMOS-FET

當(dāng)前常用的開關(guān)均為增強(qiáng)型 MOSFET，并且有許多步降/降壓轉(zhuǎn)換器和控制器都采用了 NMOS-FET 和 PMOS-FET 驅(qū)動(dòng)器。與 PMOS-FET 相比，NMOS-FET 通常提供的性價(jià)比更高，該器件上的驅(qū)動(dòng)電路更為復(fù)雜。為了開關(guān)一個(gè) NMOS-FET，需要有一個(gè)比該器件輸入電壓更高的柵極電壓。諸如自舉或充電泵的技術(shù)必須是集成的。該集成增加了成本，降低了 NMOS-FET 最初的成本優(yōu)勢(shì)。

示例應(yīng)用

這兩款新型降壓轉(zhuǎn)換器/控制器產(chǎn)品系列（可以從網(wǎng)上下載其評(píng)估板）專門針對(duì)車載行業(yè)苛刻的要求和 AEC Q100 規(guī)范而開發(fā)，其為 TI 推出的 TPS40200 異步降壓控制器和 TPS5410/20/30 異步降壓轉(zhuǎn)換器（網(wǎng)址：www.ti.com.cn/power）。

TPS40200 為一個(gè)外部 PMOS-FET 提供了一個(gè)集成的驅(qū)動(dòng)器，從而提供了一款成本極低的解決方案。其具有一個(gè)異步整流器、外部補(bǔ)償和具有前饋補(bǔ)償功能的電壓模式控制。該拓?fù)湓试S通過選擇外部 PMOS-FET 對(duì)輸出電流能力進(jìn)行調(diào)整，與此同時(shí)，集成的電流限制功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部 PMOS-FET 的保護(hù)以防止出現(xiàn)過流條件。外部補(bǔ)償有助于適應(yīng)電感和輸出電容器更廣范圍的設(shè)置。這就實(shí)現(xiàn)了成本或效率的進(jìn)一步優(yōu)化。

應(yīng)用 1 降壓調(diào)節(jié)器，5～50V 輸入，3.3V/2A 輸出

在應(yīng)用 1 中，顯示了一款設(shè)計(jì)方案，其中 TPS40200 降壓轉(zhuǎn)換器在 3.3V 時(shí)可提供 2A 的電流，并實(shí)現(xiàn) 90% 以上的效率（在 5V 時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 94% 的效率）。

在車載環(huán)境中，該組件所提供的重要的特性包括：一個(gè)寬泛的輸入電壓范圍（4V～52V）、一個(gè)寬泛的工作溫度 (TJ –40～+150Deg C)、與外部頻率同步的能力以及可編程短路保護(hù)特性。

TPS5410/20/30 異步降壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)集成的 NMOS-FET 開關(guān)、一個(gè)異步整流器，提供了集成補(bǔ)償以及具有前饋補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｊ娇刂啤?/FONT>

除了輸出濾波器以外，唯一必須的外部組件就是位于低位通道上的續(xù)流肖特基二極管。我們對(duì)集成補(bǔ)償與集成的 NMOS-FET 進(jìn)行了調(diào)整，以實(shí)現(xiàn) TPS5410 高達(dá) 1A 的連續(xù)輸出電流、TPS5420 2A 的電流以及 TPS5430 高達(dá) 3A 的電流。由于集成補(bǔ)償以及較少的組件數(shù)量，該器件實(shí)現(xiàn)了非常短的工藝驗(yàn)證周期以及非常小的 PCB 解決方案尺寸。

應(yīng)用 2 降壓轉(zhuǎn)換器，5～36V 輸入，5.0V/1A 輸出

和 TPS40200 一樣，TPS5410/20/30 也提供了重要的車載環(huán)境特性。由于采用了集成補(bǔ)償和電源開關(guān)，該器件具有寬泛的輸入電壓范圍（5～36V）、寬泛的工作溫度范圍 (TJ –40～+150Deg C)、短路保護(hù)功能以及較少的組件數(shù)量。

總結(jié)

本文對(duì)開關(guān)模式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。本文對(duì)當(dāng)前新型 SMPS 降壓轉(zhuǎn)換器和控制器解決方案作了詳細(xì)說明，以幫助設(shè)計(jì)人員在降低信息娛樂、車身、傳動(dòng)系和底盤應(yīng)用車載系統(tǒng)成本的同時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新并增加市場(chǎng)機(jī)會(huì)。