如何設(shè)計(jì)面向大降壓比應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器

　引言

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中最常用到的拓?fù)浔闶墙祲恨D(zhuǎn)換器。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使得現(xiàn)今的電子設(shè)備能在越來(lái)越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至 1V電壓下工作。。傳統(tǒng)采用一個(gè)二極管的降壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率很低，尤其是在較低的輸出電壓下，原因是由于二極管通常會(huì)消耗不少的功率，其典型正向電壓降為0.35V~0.5V，從而造成了較大比例的功率損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器采用MOSFET來(lái)代替二極管，該解決方案具有高效率、高輸出電流和低輸出電壓等優(yōu)勢(shì)。MOSFET中的電壓降與其接通電阻和電流成比例，其典型值為0.1V~0.3V。因此，功率損耗便可大大下降，從而達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，許多應(yīng)用要求的輸入電壓范圍很大。例如汽車(chē)應(yīng)用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車(chē)電池的電壓一般為 12V或24V，在尖峰情況下可能會(huì)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(jí)轉(zhuǎn)換。第一級(jí)轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級(jí)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(jí)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(duì)效率和性能而言都非常不利。甚至對(duì)于一般的降壓轉(zhuǎn)換器而言，這個(gè)很低的占空比是無(wú)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(huì)大于10V到15V。但是，根據(jù)之前所述，在汽車(chē)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?duì)于能接受20V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(duì)于高輸入低輸出的電壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)，采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換是非常合理。

兩級(jí)轉(zhuǎn)換的不良效率

效率是兩級(jí)轉(zhuǎn)換器所需要關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。盡管對(duì)個(gè)別級(jí)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(jí)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(jí)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。

單級(jí)的效率曲線

圖1 單級(jí)的效率曲線