使用合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器提高系統(tǒng)性能

您是否知道，環(huán)境溫度每升高 10°C，每個(gè)組件的使用壽命就會(huì)縮短 50%？1電源的掉線或差異會(huì)導(dǎo)致過(guò)早故障，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)中的部件完全油炸？事實(shí)上，大多數(shù)人都同意，功率密集型應(yīng)用需要，實(shí)際上必須有持久和高效的電源。但是什么拓?fù)?？同步還是異步？讓我們看一下每種拓?fù)涞臋?quán)衡。

為您的設(shè)計(jì)提供動(dòng)力的選項(xiàng)

每個(gè)硬件系統(tǒng)都需要一個(gè)電源，電源的電壓電平通常高于應(yīng)用規(guī)定的電壓電平。假設(shè)您有一個(gè) 9V 電源輸入，需要將其降至 5V 才能運(yùn)行系統(tǒng)。您有一些選擇：

具有一些基本調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單分壓器，例如齊納二極管。齊納及其限流電阻將 9V 電壓降至 5V，而 4V 電壓降至齊納二極管的限流電阻兩端。這個(gè)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生熱量并浪費(fèi)能量。

一個(gè) 5V 線性穩(wěn)壓器 （LDO）。同樣，你輸入 9V 并輸出 5V;LDO 兩端的電壓降為 4V。如果電路消耗1A電流，則LDO消耗4W功率。你也可以說(shuō)4W浪費(fèi)的功率被傾倒為熱量。

直流-直流轉(zhuǎn)換器。這里，開關(guān)穩(wěn)壓器基本上對(duì)輸出電感和電容進(jìn)行脈寬調(diào)制（即使用脈寬調(diào)制，PWM）。當(dāng)輸出電壓達(dá)到5V時(shí)，PWM占空比降至幾乎為零。開關(guān)穩(wěn)壓器消耗的電流非常小，因此功耗很小。這絕對(duì)是最有效的設(shè)計(jì)選擇。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可以是任何值，標(biāo)準(zhǔn)為 6V、9V、12V、24V、48V。電力變壓器將 120VAC 降壓至標(biāo)準(zhǔn)電壓水平，然后整流、濾波和調(diào)節(jié)至直流電壓，用于商業(yè)或工業(yè)用途。例如，電話系統(tǒng)建立在48V上，該值由電池備份系統(tǒng)的電壓確定。如果交流電源出現(xiàn)故障，備用電池系統(tǒng)將無(wú)縫啟動(dòng)。便攜式設(shè)備是另一回事。這些設(shè)備通常由已經(jīng)是直流電的電池供電，但需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于電池電壓會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)下降，因此您需要提高其輸出電壓并保持調(diào)節(jié)。因此，如果您的系統(tǒng)以3.3V運(yùn)行，即使電池電壓下降，您也需要將其保持在3.3V。

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，您可以選擇“看似”的低成本解決方案，例如上面提到的簡(jiǎn)單分壓器或齊納電路。請(qǐng)注意，我們說(shuō)“看起來(lái)是”低成本，因?yàn)檫@僅從物料清單的角度得出。這些方法具有功率損耗的隱性和附加成本，這會(huì)導(dǎo)致高散熱并縮短系統(tǒng)中電氣元件的使用壽命。同時(shí)，LDO具有非常低的噪聲輸出，但其缺點(diǎn)包括高功耗、大壓差和電池壽命縮短。

如今，設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)效率、熱量、精度、瞬態(tài)響應(yīng)和成本的最佳輸出。直截了當(dāng)，是的。但是，實(shí)現(xiàn)最佳 DC-DC 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的道路可能就像在沒有地圖的情況下導(dǎo)航雷區(qū)一樣復(fù)雜。轉(zhuǎn)換器的工作溫度限制了其最大輸出功率，并且隨著工業(yè)設(shè)備外形尺寸的縮小，工作溫度也在上升。此外，大多數(shù)設(shè)備通常很少或沒有強(qiáng)制冷卻/氣流。那么，您最好的 DC-DC 設(shè)計(jì)選項(xiàng)是什么？

DC-DC 設(shè)計(jì)選項(xiàng)：同步或異步拓?fù)?/p>

它們之間需要權(quán)衡取舍。異步拓?fù)涫且环N較舊的設(shè)計(jì)，以外部肖特基二極管兩端的功率損耗表示。這種功率損耗等同于效率下降。這里推薦使用同步拓?fù)?，因?yàn)樗峁└咝?，并通過(guò)集成高效的MOSFET適合更緊湊的外形尺寸。這種根本差異如圖1所示，該圖<>比較了異步轉(zhuǎn)換器和集成度更高的同步解決方案之間的結(jié)構(gòu)差異。

圖1.異步 DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌ㄗ螅┦褂猛獠啃ぬ鼗O管來(lái)調(diào)節(jié)電壓。同步拓?fù)洌ㄓ遥┘闪艘粋€(gè)MOSFET來(lái)取代肖特基二極管。

考慮一下電源效率。近年來(lái)，模擬 IC 供應(yīng)商推出了同步 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以提高使用其外部肖特基二極管的異步設(shè)計(jì)損耗的功率效率?，F(xiàn)在，同步轉(zhuǎn)換器集成了一個(gè)低側(cè)功率MOSFET，以取代外部高損耗肖特基二極管。低側(cè)MOSFET的功耗影響R上而二極管V兩端的正向壓降D確定肖特基二極管的功率損耗。如果兩種設(shè)計(jì)的電流水平保持不變，則通常MOSFET兩端的壓降低于二極管兩端的壓降，從而降低MOSFET的功耗。

在異步解決方案中，二極管兩端的功耗為：

PD = VD × IOUT × (1 – VOUT/VIN)

在同步解決方案中，MOSFET 兩端的功耗為：

PFET = RON × I2OUT × (1 – VOUT/VIN)

然而，有意見認(rèn)為，異步降壓轉(zhuǎn)換器在較輕的負(fù)載和高占空比下提供更高的效率，2而且似乎沒有一個(gè)轉(zhuǎn)換器可以在輕負(fù)載到重負(fù)載下提供最佳效率。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員是否再次陷入眾所周知的“兩難之角”？

要回答這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)考慮異步轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率性能的主要?jiǎng)恿?。在異步轉(zhuǎn)換器中，電感電流僅沿一個(gè)方向流動(dòng)，永不變?yōu)樨?fù);在同步轉(zhuǎn)換器中，電流雙向流動(dòng)，這是一個(gè)缺點(diǎn)。

圖2.同步轉(zhuǎn)換器與非同步轉(zhuǎn)換器中的電流。

為了克服同步轉(zhuǎn)換器中的這種雙向電流，引入了不同的工作模式，為輕負(fù)載工作創(chuàng)建“偽異步”模式。現(xiàn)代 DC-DC 轉(zhuǎn)換器支持三種模式（圖 3）：

PWM @ CCM：連續(xù)導(dǎo)通模式下的脈寬調(diào)制。在這里，轉(zhuǎn)換器作為恒定頻率工作;我L被允許去負(fù)數(shù)。此模式允許轉(zhuǎn)換器快速響應(yīng)任何負(fù)載變化，甚至低至零負(fù)載，并且仍然將輸出電壓紋波降至最低。盡管如此，PWM @CCM模式在輕負(fù)載時(shí)效率較低。

PWM @ DCM：不連續(xù)導(dǎo)通模式下的脈寬調(diào)制。這種方法還具有恒定頻率的特點(diǎn)，但通過(guò)防止 IL從負(fù)數(shù)。它類似于在輕負(fù)載時(shí)禁用負(fù)電感電流的異步解決方案。

休眠模式的 PFM：休眠模式下的脈沖頻率調(diào)制。這種方法通過(guò)防止L從變?yōu)樨?fù)值并關(guān)閉兩個(gè)FET，到輕負(fù)載時(shí)的跳脈沖。在跳過(guò)期間，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入休眠狀態(tài)，關(guān)閉未使用的內(nèi)部電路以節(jié)省靜態(tài)電流。該模式可實(shí)現(xiàn)最佳效率，提供最高的輕負(fù)載效率，并且僅犧牲略高的輸出電壓紋波。

圖3.Maxim Integrated的喜馬拉雅DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器中的多模操作。

當(dāng)負(fù)載電流為中等到滿負(fù)載時(shí)，所有模式的工作方式相同。當(dāng)負(fù)載電流降低到電感電流紋波值的一半以下時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)差異。

您的系統(tǒng)是否預(yù)計(jì)大部分時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)（即低負(fù)載運(yùn)行），并且延長(zhǎng)電池壽命是否至關(guān)重要？然后選擇PFM模式，因?yàn)樗峁┳罡叩妮p負(fù)載效率。但是，PFM模式有一個(gè)警告：檢查以確保較高的輸出紋波和較慢的瞬態(tài)響應(yīng)不會(huì)在待機(jī)期間對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。

輕負(fù)載瞬態(tài)性能在您的應(yīng)用中是否至關(guān)重要？那么PWM @ CCM是您的最佳選擇，因?yàn)樗峁┝俗罴训乃矐B(tài)響應(yīng)，甚至低至零負(fù)載。

PWM @ DCM 模式在其他兩種模式之間提供了合理的權(quán)衡。

結(jié)語(yǔ)

技術(shù)在前進(jìn)。通過(guò)用集成的高效MOSFET取代外部肖特基二極管以及多模操作，當(dāng)今的同步解決方案可在最緊湊的設(shè)計(jì)中提供卓越的效率?，F(xiàn)在是時(shí)候采用新的同步建模技術(shù)來(lái)提高下一個(gè)設(shè)計(jì)的電源性能了。它更簡(jiǎn)單，更酷，更好。

審核編輯：郭婷