DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)頻率越來(lái)越快,，目的是減小輸出電容和電感的尺寸，以節(jié)省電路板空間,。正因如此,，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)越來(lái)越多工作在高輸入電壓下的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其可提供線壓瞬態(tài)保護(hù),，更低的占空比使更快頻率下難以達(dá)到更低的電壓,。許多電源集成電路制造廠商（IC）正在積極推銷高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器，聲稱可以減少電路板空間占用,。工作在1MHz或者2MHz下的DC/DC轉(zhuǎn)換器似乎是一個(gè)好主意,，但開(kāi)關(guān)頻率對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)不止體積和效率兩方面。本文介紹了幾個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例,，說(shuō)明在高頻下開(kāi)關(guān)存在的一些好處和挑戰(zhàn),。

應(yīng)用選擇

為了說(shuō)明使用高開(kāi)關(guān)頻率的權(quán)衡過(guò)程，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)獨(dú)立電源,，其工作頻率分別為100,、300和750 kHz。所有這三種設(shè)計(jì),，輸入電壓均為48V,，輸出電壓均為5V，而輸出電流均為1A,。這些要求常用于為一個(gè)5-V邏輯USB,，或者為其它DC/DC轉(zhuǎn)換器使用的中頻通用5-V總線供電，例如：低壓降穩(wěn)壓器等,。若想建立一些設(shè)計(jì)限制,，所選允許紋波電壓需為50mV，其約為輸出電壓的1%,；同時(shí)選擇使用0.5 A的峰至峰電感電流,。德州儀器TPS54160是一種集成MOSFET的2.5-MHz、60-V,、1.5-A降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器,，用作所有設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器。TPS54160特有外部補(bǔ)償和快速可編程頻率,，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應(yīng)用,。

電感和電容選擇

根據(jù)下列四個(gè)簡(jiǎn)化公式,，選擇每種情況的電感和電容：

電感選擇

 (1a)

可重寫為：

 (1b)

其中，D（占空比）=5 V/48 V=0.104,，且△I = 0.5 A峰至峰,。

電容選擇

I= C x dv/dt （2a）

可重寫為：

 (2b)

其中，△I = 0.5 A峰至峰,，且△V=50 mV,。

就方程式2b而言，我們假設(shè)所選電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）忽略不計(jì),，陶瓷電容便是如此,。我們選擇陶瓷電容，用于所有三種設(shè)計(jì),，原因是其低電阻和小尺寸,。方程式2b分子的乘數(shù)2表明DC偏壓相關(guān)電容下降情況，原因是大多數(shù)陶瓷電容的數(shù)據(jù)表中都沒(méi)有說(shuō)明這一效應(yīng),。

圖 1 TPS54160 參考示意圖

圖1所示電路用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)臺(tái)上每種設(shè)計(jì)的性能,。示意圖中沒(méi)有值的一些組件，為設(shè)計(jì)中修改了的組件,。輸出濾波器由L1和C2組成,。所有三種設(shè)計(jì)的組件值都列舉在表1中，這些值的選擇是基于方程式1a到2b的結(jié)果,。注意,，每個(gè)電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因?yàn)檩^少的匝數(shù)所需的銅長(zhǎng)度更短,。我們單獨(dú)為每個(gè)開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)了誤差放大器補(bǔ)償組件,。選擇補(bǔ)償值的計(jì)算方法，超出了本文討論的范圍,。

最小“導(dǎo)通”時(shí)間

最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間限制是DC/DC轉(zhuǎn)換器IC的一個(gè)特點(diǎn),，其為脈寬調(diào)制（PWM）電路的最窄可達(dá)脈寬。在降壓轉(zhuǎn)換器中,，開(kāi)關(guān)周期期間功率MOSFET導(dǎo)通的時(shí)間百分比被稱作占空比,，其等于輸出電壓與輸入電壓的比。使用TPS54160轉(zhuǎn)換器時(shí),，占空比為0.104（4 V/48 V）,，而數(shù)據(jù)表中列出的最小“導(dǎo)通”時(shí)間為130 ns?？煽孛}寬限制產(chǎn)生一個(gè)最小可達(dá)占空比,，而用最小“導(dǎo)通”時(shí)間乘以開(kāi)關(guān)頻率，我們可以輕松地計(jì)算出該占空比的大小,。一旦知道了最小占空比,，利用VIN乘以最小占空比,，我們便可以計(jì)算出最低可達(dá)輸出電壓,。最低輸出電壓同樣也受轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓的限制,，使用TPS54160時(shí)其為0.8V。

本例中,，我們可以通過(guò)750-kHz開(kāi)關(guān)頻率來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5-V輸出電壓（參見(jiàn)表2）,。但是，如果該頻率為1 MHz,，則最低可能輸出電壓被限制為約6V,；否則，DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)跳過(guò)脈沖,。替代方法是降低輸入電壓或者頻率,。在選擇某個(gè)開(kāi)關(guān)頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表,，了解保證最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間,。

脈沖跳躍

DC/DC轉(zhuǎn)換器無(wú)法足夠快速地清除門驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)維持理想占空比時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)脈沖跳躍,。電源會(huì)嘗試調(diào)節(jié)輸出電壓,，但由于距離更遠(yuǎn)的脈沖，紋波電壓會(huì)增加,。由于存在脈沖跳躍,，輸出紋波會(huì)呈現(xiàn)出分諧波成分，其可能出現(xiàn)噪聲問(wèn)題,。限流電路也可能不再正常工作,，因?yàn)镮C可能不響應(yīng)大電流峰值。一些情況下,，如果控制器不正常工作,，控制環(huán)路便可能會(huì)不穩(wěn)定。

效率和功耗

DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率,，是進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的最重要屬性之一,。低效率會(huì)轉(zhuǎn)換成高功耗，必須要在印刷電路板（PCB）上使用單獨(dú)的散熱器或者更多的銅,，才能處理這些功耗,。功耗也對(duì)電源上游器件提出了更高的要求。如表3所示,，功耗共有幾個(gè)組成部分,。

三個(gè)例子的重要損耗組成部分，來(lái)自于FET驅(qū)動(dòng)損耗,、FET開(kāi)關(guān)損耗和電感損耗,。FET電阻和IC損耗是一致的,，因?yàn)樗腥齻€(gè)設(shè)計(jì)中都使用了相同的IC。由于所有例子中都選擇了低ESR的陶瓷電容,，因此電容損耗可以忽略不計(jì),。為了表明高頻開(kāi)關(guān)的影響，我們對(duì)每個(gè)例子的效率都進(jìn)行了測(cè)量,，并將其顯示在圖2中,。該圖清楚地表明，效率隨開(kāi)關(guān)頻率增加而下降,。若想提高所有頻率下的效率,，需要尋找到一種全負(fù)載狀態(tài)下低漏到源“導(dǎo)通”電阻、低門電荷或者低靜態(tài)電流規(guī)范的DC/DC轉(zhuǎn)換器,；或者尋找到一些具有更低等效電阻的電容和電感,。

表 1 三個(gè)舉例電源設(shè)計(jì)的電容和電感選擇

表 2 130-ns最小“導(dǎo)通”時(shí)間的最小輸出電壓

表 3 功耗組成部分

圖 2 三個(gè)舉例頻率下 TPS54160 的效率

組件尺寸

表4列出了三種設(shè)計(jì)要求的總電路板面積，以及電容和電感的焊盤面積,。電容或者電感的建議焊盤面積,，稍稍大于單個(gè)組件本身，且三種設(shè)計(jì)舉例均使用了該面積,。每個(gè)組件占用的面積相加（其包括IC,、濾波器以及所有其它小型電阻器和電容的焊盤尺寸），然后將得到的結(jié)果乘以2倍（考慮到組件的間距）,，便得到總面積,。100-kHz和750-kHz設(shè)計(jì)之間存在近250 mm2的總面積節(jié)省，從而使濾波器體積縮小50%,，而板空間占用減少55%,。但是，存在收益遞減規(guī)律,，因?yàn)殡娙莺碗姼兄禑o(wú)法減少至零,！換句話說(shuō)，不斷推高頻率并不能夠一直減小總尺寸,，因?yàn)槟銦o(wú)法總是能夠在市場(chǎng)上買到這些尺寸適合且批量生產(chǎn)的電感和電容,。注意，33-µH和15-µH電感占用相同的面積,。存在這種可能性,，是因?yàn)?3-µH電感的高度為3.5 mm，而15-µH電感僅高2.4 mm,。我們想通過(guò)這兩種電感來(lái)說(shuō)明的觀點(diǎn)是：電感與體積成正比例關(guān)系,。

表 4 組件尺寸和總面積要求

圖 3 100kHz、300 kHz和750 kHz 的波特圖

瞬態(tài)響應(yīng)

瞬態(tài)響應(yīng)是電源性能級(jí)別的一個(gè)較好指標(biāo),。我們利用每種電源的波特圖來(lái)表明高開(kāi)關(guān)頻率的對(duì)比情況（參見(jiàn)圖3）,。如圖所示,，每個(gè)電源的相位裕度在45°和55°之間，其表明瞬態(tài)響應(yīng)得到較好的抑制,。交叉頻率約為開(kāi)關(guān)頻率的1/8,。使用快速開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保電源IC誤差放大器具有足夠的帶寬來(lái)支持高交叉頻率,。TPS54160誤差放大器的單位增益頻寬一般為2.7 MHz,。表5顯示了實(shí)際瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間以及電壓峰值過(guò)沖的相關(guān)值,。開(kāi)關(guān)頻率越高,，過(guò)沖值便越是更低，原因是更寬的帶寬,。

表 5 瞬態(tài)響應(yīng)

表 6 小占空比時(shí)抖動(dòng)與“導(dǎo)通”時(shí)間之比

抖動(dòng)考慮

高轉(zhuǎn)換比和更高頻率時(shí),，會(huì)存在噪聲問(wèn)題。當(dāng)選擇某個(gè)高開(kāi)關(guān)頻率時(shí),，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮抖動(dòng)和DC/DC轉(zhuǎn)換器的最小“導(dǎo)通”時(shí)間,。當(dāng)占空比較小時(shí)，抖動(dòng)噪聲便為開(kāi)關(guān)脈沖的更大百分比,。表6顯示了48-V到5-V轉(zhuǎn)換比時(shí),，抖動(dòng)與“導(dǎo)通”時(shí)間之比。我們假設(shè),，在該相位節(jié)點(diǎn)上存在0.5-V二極管壓降和20-ns抖動(dòng),。

結(jié)論

設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)，存在許多折中考慮,。本文介紹的一些優(yōu)點(diǎn)包括更小的尺寸,、更快的瞬態(tài)響應(yīng)，以及更小的電壓過(guò)沖/欠沖,。獲得這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是效率低和散熱多,。但是，在挑戰(zhàn)性能極限的過(guò)程中同樣也存在許多陷阱,，例如：脈沖跳躍和噪聲問(wèn)題,。在為高頻應(yīng)用選擇一種寬輸入電壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以前，我們應(yīng)該首先查看制造廠商提供的數(shù)據(jù)表,，以了解一些重要的規(guī)范,，例如：最小“導(dǎo)通”時(shí)間、誤差放大器的增益帶寬,、FET電阻以及FET開(kāi)關(guān)損耗,。在這些規(guī)范下運(yùn)行良好的IC價(jià)格昂貴，但卻對(duì)得起它的價(jià)格,；在設(shè)計(jì)人員擔(dān)心如何處理某個(gè)棘手的設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí),，其更加易于使用,。