大降壓比的同步降壓轉(zhuǎn)換器

1、大降壓比的同步降壓轉(zhuǎn)換器為何需要大降壓比的同步降壓轉(zhuǎn)換器？許多應(yīng)用要求的輸入電壓范圍很大。例如汽車應(yīng)用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車電池的電壓一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會達(dá)到40V。由于輸入電壓很高而輸出電壓很低(或者是輸出電流很高)，因此需要使用大降壓比的轉(zhuǎn)換器。具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉(zhuǎn)換器一般采用兩級轉(zhuǎn)換。第一級轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級轉(zhuǎn)換則將中間電壓轉(zhuǎn)換為需要的低輸出電壓。采用兩級轉(zhuǎn)換的原因很多。首先，大降壓比則意味著需要低占空比。例如，一個(gè)24V輸入及1.2V輸出的轉(zhuǎn)換器，其要求的占空比為0.05，這對效率和性能而言都非常不利。甚至對于一般的

2、降壓轉(zhuǎn)換器而言，這個(gè)很低的占空比是無法達(dá)到。第二，支持輸出電壓低于1.2V的設(shè)備一般其輸入電壓不會大于10V到15V。但是，根據(jù)之前所述，在汽車等一些設(shè)備中，甚至?xí)霈F(xiàn)高達(dá)40V的高輸入電壓?？墒牵瑢τ谀芙邮?0V以上輸入電壓的設(shè)備，其輸出電壓往往都高于1.2V。因此，對于高輸入低輸出的電壓應(yīng)用來說，采用兩級轉(zhuǎn)換是非常合理。兩級轉(zhuǎn)換的不良效率效率是兩級轉(zhuǎn)換器所需要關(guān)注的一個(gè)主要問題。盡管對個(gè)別級的轉(zhuǎn)換而言，均可以達(dá)到較高的效率，但是整體效率卻可能很低。因?yàn)檎w效率是各轉(zhuǎn)換級效率之乘積。比如，圖1所示為一個(gè)可將12V或24V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換器的效率曲線。此外，圖中同樣給出了

3、一個(gè)將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V輸出電壓的轉(zhuǎn)換器效率。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器同樣在550kHz的頻率下運(yùn)作，并在半負(fù)荷下得出約80%的效率?？墒?，使用在兩級轉(zhuǎn)換中的這兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的整體效率僅在60%70%左右，如圖2所示。圖1 單級的效率曲線圖2 兩級轉(zhuǎn)換的整體效率除了效率之外，與單級轉(zhuǎn)換相比(稍后會作介紹)，兩級轉(zhuǎn)換要求使用更多的元件并占用更多的板面積。所需的集成電路、電感器和降壓電容器數(shù)量約為單級轉(zhuǎn)換的兩倍。此外，由于需要使用兩個(gè)電感器，因此需要在兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間進(jìn)行精確的同步以降低干擾。因此，兩級轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)時(shí)間較長，而且包括板尺寸、元件成本、生產(chǎn)時(shí)間和調(diào)試等在內(nèi)的整體成本也較高。圖3 LM3103的

4、效率曲線同步穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)與兩級轉(zhuǎn)換相比，寬輸入范圍和低反饋電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器具有更高的效率、更小的尺寸和更經(jīng)濟(jì)的成本。例如LM3103，它是LM310x系列產(chǎn)品中的一款，屬于美國國家半導(dǎo)體的PowerWise產(chǎn)品系列。LM3103的輸入電壓可高達(dá)42V，輸出電壓可低至0.6V。因此，對于要求高降壓比的應(yīng)用來說，LM3103無疑是最佳的解決方案。為了進(jìn)一步減少元件數(shù)量， LM3103還把MOSFET嵌入到內(nèi)部，并采用一種恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方法，省略了補(bǔ)償電路。因此，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)就簡化為對一些元件進(jìn)行簡單調(diào)節(jié)。下文將詳述如何對元件進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4所示為一個(gè)1.2V輸出電壓的LM3103原理圖。圖中的

5、電容 CIN 和 COUT 為降壓電容器， CIN3、COUT3則分別用來過濾高頻噪聲。至于CSS 和CBST 則用于軟啟動(dòng)和自舉功能， CVCC 和CFB則分別用作內(nèi)部調(diào)節(jié)器和幫助反饋輸出紋波。設(shè)計(jì)所需的其他元件如下：· 用于輸出電壓的RFB1 和RFB2; · 用于工作頻率的RON; · 與電感器電流紋波相關(guān)的L。圖4 1.2V輸出的LM3103原理圖輸出電壓由于LM3103的內(nèi)部參考電壓等于0.6V，輸出電壓VOUT和由RFB1 和 RFB2組成的分阻器之關(guān)系如下：因?yàn)閂OUT = 1.2V，我們可選擇RFB2 = 10k，那么RFB1可通過下式進(jìn)行計(jì)算：工

6、作頻率電阻器RON 用于決定轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通時(shí)間，而該導(dǎo)通時(shí)間是與工作頻率fSW成直接關(guān)系，并在LM3103中被編程成高至1MHz 。一旦fSW被確定，那RON便可通過下列算式計(jì)算出來：在圖4中， fSW 設(shè)定為550kHz，因此計(jì)算出的RON等于26.3k。電感器電流紋波LM3103需要約0.3A的電感器電流紋波。電感器的電流紋波與輸入電壓、輸出電壓以及工作頻率有密切的關(guān)系。L的計(jì)算公式如下：在設(shè)計(jì)中把VIN定為 12V，則計(jì)算出來的L便等于6.55H。元件的選擇應(yīng)基于以上計(jì)算和圖4中所示的實(shí)際數(shù)值。LM3103應(yīng)用電路的效率曲線已在圖3中展示出來。對比圖2與圖3，便會發(fā)現(xiàn)LM3103的單級轉(zhuǎn)換效率比起兩級轉(zhuǎn)換的整體效率高出了5到10%。表1對LM3103和兩級轉(zhuǎn)