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优化输出段元件选择,以将DC-DC同步降压转换器性能提升至最高

Ann Starks?? 安森美半导体应用工程师?? 2014年09月01日 ?? 收藏1
简介

开关电源如今在行业中的应用非常广泛,为多种终端应用提供高能效方案。它们常用于计算机、电动工具、电视、多媒体平板电脑、智能手机、汽车及其它不计其数电子设备的电源及电池充电电路。

消费类电子行业应用最普及的转换器之一是DC-DC降压(step-down,亦称buck)转换器。

简而言之,同步降压转换器用于将电压从较高的电平降至较低的电平。随着业界转向更高性能的平台,电源转换器的能效成为设计的一项关键考虑因素。因此,重要的是理解同步降压转换器的基础知识,以及怎样恰当地选择电路元件。

同步降压转换器基础

同步降压转换器的概念简单,它产生低于输入电压的稳压电压,可以提供大电流,同时将功率损耗降至最低。

图1:同步降压转换器电路图。
图1:同步降压转换器电路图。

同步降压转换器包含2颗功率MOSFET、1颗输出电感及1颗输出电容。此特定降压拓扑结构的名称来源于它的2颗功率MOSFET的控制方法;导通/关断(on/off)控制被同步,以提供经过稳压的输出电压,并防止2颗MOSFET同时导通。

高边MOSFET(Q1)直接连接至电路的输入电压。当Q1导通时,电流通过它提供给负载。在此期间,低边MOSFET(Q2)关断,流过电感的电流增加,为电感电容(LC)滤波器充电。当Q1关断时,Q2导通,此时电流通过它提供给负载。在此期间,渡过电感的电流减小,使LC滤波器放电。当两颗MOSFET都关断时,低边MOSFET提供额外功能,即通过本体二极管对开关节点电压来钳位,以防止高边晶体管首先关断时开关电压(VSW)升至太高的负值。

开关节点电压被LC输出段弄得更平顺,从而在输出端产生稳压直流电压。两颗MOSFET被同步控制以防止击穿(shoot-through),而当高边及低边MOSFET同时处于导通状态时,产生直接对地短路,会发生击穿现象。

高边MOSFET导通时间决定了电路的占空比(duty cycle)。如果占空比等于1,那么高边MOSFET在全部占空比均处于导通状态,输出电压等于输入电压。占空比为0.1表示高边MOSFET仅有10%时间导通,产生的输出电压约为输入电压的10%。

降压转换器功率损耗

降压转换器功率损耗受多种因素影响,包括功率MOSFET输出段、控制器/驱动器、反馈回路及转换器本身的布线。大多数降压转换器设计的占空比小于0.5,而计算机及服务器市场的降压转换器标准占空比是0.1至0.2。

设计平台正转向更高开关频率,能够减小转换器尺寸及外形因数。同时,转换器必须提供更高性能及更高能效。输出段性能大幅影响降压转换器整体性能。因此,重要的是针对特定应用优化电感及电容选择。

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同步降压转换器? DC-DC? 输出段元件?

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