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为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?

发布时间:2021-02-23 来源:Jeff Shepard 责任编辑:lina

【导读】在汽车、工业自动化、电信、计算机、白色家电和消费电子等的各种系统中,,将高母线电压降至较低电压,从而为 IC 和其他负载供电的需求越来越大。设计者面临的挑战是,如何以最高的效率、最小的热负荷、低成本以及尽可能小的解决方案尺寸来实现这种降压转换。
   
在汽车、工业自动化、电信、计算机、白色家电和消费电子等的各种系统中,,将高母线电压降至较低电压,从而为 IC 和其他负载供电的需求越来越大。设计者面临的挑战是,如何以最高的效率、最小的热负荷、低成本以及尽可能小的解决方案尺寸来实现这种降压转换。
 
传统的异步降压转换器提供了一种潜在的低成本解决方案,但其转换效率较低,不能满足许多电子系统的需求。设计者可以利用同步 DC/DC 转换器和同步 DC/DC 控制器来开发紧凑型高效率解决方案。
 
本文简要介绍了电子系统对高效 DC/DC 转换的性能要求,并回顾了异步和同步 DC/DC 转换器的区别。然后,介绍来自 Diodes, Inc、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的几种同步 DC/DC 转换器设计方案,以及评估板和设计指南。这些方案有助于快速启动高效率解决方案的开发。
 
为什么需要同步 DC/DC 转换器?
 
所有类型电子系统对效率要求的都越来越高,而且复杂性也在不断提高,这就促使电源系统架构和电源转换拓扑也在相应地向前发展。随着越来越多的独立电压域能够支持日益增多的功能,分布式电源架构 (DPA) 在愈来愈多的电子系统中得到了应用。
 
DPA 并没有采用多个隔离电源来驱动不同的负载,而是仅包含一个用于产生相对较高配电电圧的隔离式 AC/DC 电源,以及多个较小的降压转换器。其中,降压转换器用于根据每个负载的要求,将配电电压将至较低的水平(图 1)。采用多路降压转换器的优势在于体积小、效率高、性能优。
 
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?

选择异步还是同步降压转换器时,需要在成本和效率之间进行权衡。如果需要成本最低的解决方案,其可以同时接受较低的效率和较高的热负载,则异步降压方案可能是首选。另一方面,如果优先考虑效率并希望采用发热更少的运行方案,那么成本更高的同步降压转换器通常是更优的选择。
 
同步与异步降压转换器的比较
 
典型的异步降压转换器应用如图 2 所示。ON Semiconductor 的 LM2595 是一款单片集成电路,包括主电源开关和控制电路。该器件采用内部补偿,最大限度地减少了外部元器件的数量并简化了电源设计。其典型转换效率为 81%,发热损耗为占功率的 19%,而同步降压方案的典型转换效率约 90%,发热损耗仅占功率的 10%。这意味着异步降压转换器的热损耗几乎是同步降压转换器的两倍。因此,使用同步降压转换器可以减少发热,从而大大简化热管理难题。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
在同步降压转换器中,如 STMicroelectronics 推出的 ST1PS01 使用同步 MOSFET 整流取代了输出整流器(图 3)。相比异步降压转换器中的输出整流器,同步 MOSFET 的“导通”电阻较低,可降低损耗,从而显著提高转换效率。同步 MOSFET 是该 IC 的内部组成部分,不需要外部整流二极管。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
使用同步降压转换器可以实现更高的效率和更低的热负荷,但这是有代价的。由于只包含一个功率开关 MOSFET 和一个整流二极管,且不必考虑交叉导通或“射穿”的可能性,也无需使用同步 FET 进行控制,所以异步降压转换器控制器要简单得多,体积也小得多。同步降压拓扑结构则需要更复杂的驱动器和防交叉导通电路来控制两个开关(图 4)。要确保两个 MOSFET 不会同时导通并发生直接短路,就需要更复杂的电路,进而要求更大和更昂贵的 IC。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
虽然脉宽调制控制式同步降压转换器在中等或满载条件下效率较高,但异步降压转换器通常在轻载条件下具有更高的转换效率。然而,这种情况正在逐渐减少,因为最新的同步降压转换器实施包括多种工作模式,能让设计者优化低负载效率。
 
用于 5 伏和 12 伏配电的同步降压
 
针对在消费产品和白色家电中使用 5 伏和 12 伏电源配电的设计者,Diodes, Inc. 推出了 AP62600 器件。这是一款 6 安培 (A) 同步降压转换器,输入范围宽至 4.5 至 18 伏。该器件集成了一个 36 毫欧 (mΩ) 高压侧功率 MOSFET 和一个 14mΩ 低压侧功率 MOSFET,用于实现高效率降压式 DC/DC 转换。
 
由于 AP62600 使用了恒定准时 (COT) 控制方式,因此只需要极少的外部元器件。该器件还具有快速瞬态响应、易于环路稳定和低输出电压纹波等特性。AP62600 针对电磁干扰 (EMI) 抑制进行了优化。该器件使用了专有的栅极驱动器方案,可在不牺牲 MOSFET 导通和关断时间的情况下防止开关节点的瞬时振荡,从而减少了 MOSFET 开关引起的高频辐射 EMI 噪声。该器件采用 V-QFN2030-12(A 型)封装。
 
配有“电源量好”指示灯,用于提醒用户注意可能出现的故障情况。可编程软启动模式可在上电时控制浪涌电流,使设计者能够在使用多个 AP62600 为大型集成器件供电时实现电源定序,如现场可编程门阵列 (FPGA)、特定应用 IC (ASIC)、数字信号处理器 (DSP) 和微处理器单元 (MPU)。
 
AP62600 提供了三种操作模式供设计者选择,以满足个性化应用的具体需求(图 5)。通过脉冲调频 (PFM) 操作,可以实现所有负载的高效率。其他可用的模式包括可以获得最佳纹波性能的脉宽调制 (PWM),以及可避免轻载时产生可闻噪声的超声波模式 (USM)。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
为帮助设计者入门 AP62600,Diodes, Inc. 还提供 AP62600SJ-EVM 评估板(图 6)。AP62600SJ-EVM 布局简单,可以通过测试点接入相应的信号。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
24 伏母线的同步降压
 
STMicroelectronics 的L6983CQTR 具有 3.5 至 38 伏的输入范围,输出电流高达 3 A。设计者可以将 L6983 用于广泛的应用,包括 24 伏工业电源系统、24 伏电池供电设备、分散式智能节点、传感器以及始终启用型和低噪声应用。
 
L6983 基于带内部补偿的峰值电流模式架构,采用 3 mm x 3 mm QFN16 封装,因此能最大限度地降低设计复杂性和尺寸。L6983 有低消耗模式 (LCM) 和低噪音模式 (LNM) 版本。LCM 通过控制输出电压纹波最大限度地提高了轻载效率,使该器件适用于电池供电型应用。LNM 模式能使开关频率保持恒定并最大限度地降低输出电压纹波,以实现轻载运行,从而满足低噪声应用要求。L6983 允许在 200 千赫兹 (kHz) 至 2.3 兆赫兹 (MHz) 的范围内选择开关频率,并可选择扩频以提高 EMC。
 
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 评估板,帮助设计者探索 L6983 同步单片降压稳压器的功能并快速启动设计。
 
用于计算和电信设计的同步降压控制器
 
ON Semiconductor 的 NCP1034DR2G 是一款高压 PWM 控制器,针对输入电压高达 100 伏的高性能同步降压 DC/DC 应用。该器件设计用于嵌入式电信、网络和计算应用中的 48 伏非隔离电源转换。NCP1034 驱动一对外部 N 沟道 MOSFET,如图 7 所示。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
NCP1036 具有 25kHz 至 500kHz 可编程开关频率范围,以及一个用于从外部控制开关频率的同步引脚。通过提供这两种频率控制方式,设计者就能够为每个特定应用选择最佳值,并使多个 NCP1034 控制器同步工作。该器件还包括用户可编程欠压锁定和打嗝限流保护。对于低电压设计,可以使用一个内部微调式 1.25 伏参考电压来实现更精确地输出电压调节。
 
包括四个欠压锁定电路,用于保护设备和系统。三个电路专门用于保护特定功能;两个用于保护外部高压侧和低压侧驱动器;一个用于保护 IC,防止其在 VCC 低于设定阈值前过早启动。设计者可以利用外部电阻分压器对第四个欠压锁定电路进行编程:只要 VCC 低于用户设定的阈值,控制器就保持断开状态。
 
为了帮助设计者开始使用 NCP1034,ON Semiconductor 还提供了 NCP1034BCK5VGEVB 评估板(图 8)。该评估板的设计提供了多个选项,以满足各种系统需求。有一个线性稳压器为 IC 供电;为此,设计者可以通过选择合适的电阻来确定使用齐纳二极管还是高压晶体管。设计者还可以选择第二类(电压模式)补偿或第三类(电流模式)补偿,陶瓷或电解输出电容器以及各种输入电容值。配有两个针座:一个用于方便地连接外部同步脉冲源,使板卡可以直接连接另一块 NCP1034 演示板;另一个针座连接 SS/SD 引脚,可以通过连接地来关断控制器。
 
为何同步降压式 DC/DC 转换器能最大限度地提高降压转换效率?
 
结语
 
在汽车、工业自动化、电信、计算机、白色家电和消费电子等各种系统中,越来越多地需要将高母线电压降至较低电压,以便为 IC 和其他负载供电。
 
如图所示,设计者可以把目光转向同步降压式功率转换器,以最高的效率、最小的热负荷、低成本和尽可能小的解决方案尺寸来实现降压转换。
(来源:Digi-Key,作者:Jeff Shepard)
 
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