如何设计面向大降压比应用的同步降压转换器

　　引言

　　DC-DC降压转换器已在工业领域得到了广泛应用，其中最常用到的拓扑便是降压转换器。半导体技术的发展使得现今的电子设备能在越来越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至1V电压下工作。。传统采用一个二极管的降压转换器的转换效率很低，尤其是在较低的输出电压下，原因是由于二极管通常会消耗不少的功率，其典型正向电压降为0.35V~0.5V，从而造成了较大比例的功率损耗。同步降压转换器采用MOSFET来代替二极管，该解决方案具有高效率、高输出电流和低输出电压等优势。MOSFET中的电压降与其接通电阻和电流成比例，其典型值为0.1V~0.3V。因此，功率损耗便可大大下降，从而达到很高的转换效率。另一方面，许多应用要求的输入电压范围很大。例如汽车应用中要求的输入电压范围比较大，而汽车电池的电压一般为 12V或24V，在尖峰情况下可能会达到40V。由于输入电压很高而输出电压很低(或者是输出电流很高)，因此需要使用大降压比的转换器。

　　具有大降压比和低输出电压特性的功率转换器一般采用两级转换。第一级转换是将高输入电压转换为中间电压，第二级转换则将中间电压转换为需要的低输出电压。采用两级转换的原因很多。首先，大降压比则意味着需要低占空比。例如，一个24V输入及1.2V输出的转换器，其要求的占空比为 0.05，这对效率和性能而言都非常不利。甚至对于一般的降压转换器而言，这个很低的占空比是无法达到。第二，支持输出电压低于1.2V的设备一般其输入电压不会大于10V到15V。但是，根据之前所述，在汽车等一些设备中，甚至会出现高达40V的高输入电压。可是，对于能接受20V以上输入电压的设备，其输出电压往往都高于1.2V。因此，对于高输入低输出的电压应用来说，采用两级转换是非常合理。

　　两级转换的不良效率

　　效率是两级转换器所需要关注的一个主要问题。尽管对个别级的转换而言，均可以达到较高的效率，但是整体效率却可能很低。因为整体效率是各转换级效率之乘积。比如，图1所示为一个可将12V或24V的输入电压转换为5V输出电压的降压转换器的效率曲线。此外，图中同样给出了一个将5V 输入电压转换为1.2V输出电压的转换器效率。两个转换器同样在550kHz的频率下运作，并在半负荷下得出约80%的效率。可是，使用在两级转换中的这两个降压转换器的整体效率仅在60%~70%左右，如图2所示。

图1 单级的效率曲线

图2 两级转换的整体效率

　　除了效率之外，与单级转换相比(稍后会作介绍)，两级转换要求使用更多的元件并占用更多的板面积。所需的集成电路、电感器和降压电容器数量约为单级转换的两倍。此外，由于需要使用两个电感器，因此需要在两个转换器之间进行精确的同步以降低干扰。因此，两级转换的设计时间较长，而且包括板尺寸、元件成本、生产时间和调试等在内的整体成本也较高。

图3 LM3103的效率曲线

　　同步稳压器的设计

　　与两级转换相比，宽输入范围和低反馈电压的同步降压转换器具有更高的效率、更小的尺寸和更经济的成本。例如LM3103，它是 LM310x系列产品中的一款，属于美国国家半导体的PowerWise产品系列。LM3103的输入电压可高达42V，输出电压可低至0.6V。因此，对于要求高降压比的应用来说，LM3103无疑是最佳的解决方案。为了进一步减少元件数量， LM3103还把MOSFET嵌入到内部，并采用一种恒定导通时间控制方法，省略了补偿电路。因此，转换器的设计就简化为对一些元件进行简单调节。下文将详述如何对元件进行调节。

　　图4所示为一个1.2V输出电压的LM3103原理图。图中的电容 CIN 和 COUT 为降压电容器， CIN3、COUT3则分别用来过滤高频噪声。至于CSS 和CBST 则用于软启动和自举功能， CVCC 和CFB则分别用作内部调节器和帮助反馈输出纹波。设计所需的其他元件如下：

• 　　用于输出电压的RFB1 和RFB2;
• 　　用于工作频率的RON;
• 　　与电感器电流纹波相关的L。

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图4 1.2V输出的LM3103原理图

　　输出电压

　　由于LM3103的内部参考电压等于0.6V，输出电压VOUT和由RFB1 和 RFB2组成的分阻器之关系如下：

　　因为VOUT = 1.2V，我们可选择RFB2 = 10kΩ，那么RFB1可通过下式进行计算：

　　工作频率

　　电阻器RON 用于决定转换器的导通时间，而该导通时间是与工作频率fSW成直接关系，并在LM3103中被编程成高至1MHz 。一旦fSW被确定，那RON便可通过下列算式计算出来：

　　在图4中， fSW 设定为550kHz，因此计算出的RON等于26.3kΩ。

　　电感器电流纹波

　　LM3103需要约0.3A的电感器电流纹波。电感器的电流纹波与输入电压、输出电压以及工作频率有密切的关系。L的计算公式如下：

　　在设计中把VIN定为 12V，则计算出来的L便等于6.55μH。

　　元件的选择应基于以上计算和图4中所示的实际数值。LM3103应用电路的效率曲线已在图3中展示出来。对比图2与图3，便会发现 LM3103的单级转换效率比起两级转换的整体效率高出了5到10%。表1对LM3103和两级转换进行了比较。从表中可以看出，在效率、元件数量和方案尺寸方面，LM3103都比两级转换有优势。

表1 LM3103与两级转换的对比