設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器并不是件輕松的工作,。許多使用者都希望轉(zhuǎn)換器是一個(gè)盒子,，一端輸入一個(gè)直流電壓，另一端輸出另一個(gè)直流電壓,。這個(gè)盒子可以有很多形式,，可以是降階來產(chǎn)生一個(gè)更低的電壓，或是升壓來產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓,。還有很多特殊的選項(xiàng),，如升降壓、反激和單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC),，這是一種能讓輸出電壓大于,、小于或等于輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器,。如果一個(gè)系統(tǒng)采用交流電工作，第一個(gè)AC-DC模塊應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的最高的直流電壓,。因此,，使用最廣的器件是降壓轉(zhuǎn)換器。

　　使用開關(guān)穩(wěn)壓器的降壓轉(zhuǎn)換器具有所有轉(zhuǎn)換器當(dāng)中最高的效率,。高效率意味著轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗更少,，而且能簡(jiǎn)化熱管理。

　　圖1顯示了一種降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的基本原理,，即同步降壓轉(zhuǎn)換器,。“同步降壓”指的是MOSFET用作低邊開關(guān)。相對(duì)應(yīng)的,，標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器要使用一個(gè)肖特基二極管做為低邊開關(guān),。與標(biāo)準(zhǔn)降壓穩(wěn)壓器相比，同步降壓穩(wěn)壓器的主要好處是效率更高,，因?yàn)镸OSFET的電壓降比二極管的電壓降要低,。低邊和高邊MOSFET的定時(shí)信息是由脈寬調(diào)制(PWM)控制器提供的?？刂破鞯妮斎胧莵碜暂敵龆朔答伝貋淼碾妷?。這個(gè)閉環(huán)控制使降壓轉(zhuǎn)換器能夠根據(jù)負(fù)載的變化調(diào)節(jié)輸出。PWM模塊的輸出是一個(gè)用來升高或降低開關(guān)頻率的數(shù)字信號(hào),。該信號(hào)驅(qū)動(dòng)一對(duì)MOSFET,。信號(hào)的占空比決定了輸入直接連到輸出的導(dǎo)通時(shí)間的百分比。因此,，輸出電壓是輸入電壓和占空比的乘積,。


　　選擇IC

　　上面提到的控制環(huán)路使降壓轉(zhuǎn)換器能夠保持一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。這種環(huán)路有幾種實(shí)現(xiàn)方法,。最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器使用的是電壓反饋或電流反饋,。這些轉(zhuǎn)換器很耐用，控制方式很直接,，而且性價(jià)比很好,。由于降壓轉(zhuǎn)換器開始用于各種應(yīng)用中，這種轉(zhuǎn)換器的一些弱點(diǎn)也開始暴露出來,。以圖形卡的供電電路為例,。當(dāng)視頻內(nèi)容變化時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載也會(huì)變化,。供電系統(tǒng)能應(yīng)付各種負(fù)載變化,，但在輕負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換效率降得很快,。如果用戶關(guān)心的是效率,，就需要有更好的降壓轉(zhuǎn)換器方案,。

　　一種改進(jìn)方法是所謂的磁滯控制，Intersil的ISL62871就是采用這種控制方法的器件,。轉(zhuǎn)換效率與負(fù)載的曲線如圖2所示,。這些轉(zhuǎn)換器是針對(duì)最差工作條件設(shè)計(jì)的，因此輕負(fù)載不是持續(xù)的工作條件,。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載波動(dòng)變化的適應(yīng)性更好,，并且不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。



圖2,，Intersil ISL62871的負(fù)載與效率曲線,，Vout=1.1V

　　選擇開關(guān)頻率

　　盡管器件的開關(guān)頻率有時(shí)是固定的,，還是有必要討論開關(guān)頻率的問題,，主要的權(quán)衡因素是效率。簡(jiǎn)而言之,，MOSFET有確定的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,。當(dāng)頻率增加時(shí)，過渡時(shí)間在總時(shí)間中所占的百分比會(huì)增加,。結(jié)果是：效率降低了,。如果效率是最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就需要考慮降低開關(guān)頻率,。如果系統(tǒng)效率足夠高,，就可以采用更高的開關(guān)頻率。頻率更高,，就可以使用更小的外部無源器件,，即輸出電感器和電容器。

　　外部器件

　　設(shè)計(jì)分立解決方案是相當(dāng)有難度的,，大約需要40個(gè)器件,，這是個(gè)需要額外付出大量努力的復(fù)雜工作。在設(shè)計(jì)電壓模式降壓控制器時(shí),，外部器件和其寄生效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能起了很大的決定作用,。在討論每種器件時(shí)，我們?cè)僭敿訑⑹觥?br />
　　采用這種特殊降壓轉(zhuǎn)換器時(shí),，我們必須選擇5個(gè)額外器件,，包括輸入電容、輸出電容,、輸出電感器,，高邊和低邊MOSFET。選擇輸出電感器時(shí),，要滿足輸出紋波的要求,，以及減小PWM對(duì)瞬態(tài)負(fù)載的響應(yīng)時(shí)間,。電感器感值的下限是由紋波要求確定的。在尋找最小(可能也是最便宜的)電感器之前,，要記住的一點(diǎn)是,，電感器并不是完美的器件。實(shí)際的電感器有飽和等級(jí),。飽和級(jí)別必須高于系統(tǒng)中的峰值電流,，才能設(shè)計(jì)出成功的產(chǎn)品。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者還明白,，感值并不是不隨電流變化的常量,。事實(shí)上，流過器件的電流越大,，感值會(huì)降低的,。請(qǐng)核實(shí)電感器的數(shù)據(jù)表，確保你所選擇的感值對(duì)系統(tǒng)中的峰值電流是足夠的,。在更大層面上可能犯的錯(cuò)誤是選擇最好的電感,，雖然小心謹(jǐn)慎還是必要的。更大的感值可以減少輸出紋波,，但也會(huì)限制壓擺率,。最終，大電感會(huì)限制對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間,。因此在選擇電感器時(shí),，是選擇在更低的峰峰值紋波電流條件下更安靜的輸出，還是需要系統(tǒng)能夠?qū)λ矐B(tài)事件做出快速的響應(yīng),，是需要做出明確的折中,。

　　輸入電容負(fù)責(zé)吸收高邊MOSFET輸入電流的交流分量。因此,，其RMS電流容量必須足夠大,，才能處理由高邊MOSFET汲取的交流分量。由于質(zhì)量和低溫度系數(shù),，陶瓷電容器可以對(duì)高頻分量進(jìn)行去耦,。降壓電容器提供更低頻率的RMS電流，這取決于占空比(當(dāng)系統(tǒng)的工作占空比比50%越大,，RMS電流越大),。降壓電容可以是幾個(gè)多層陶瓷電容器。然而在低成本應(yīng)用中,，通常使用幾個(gè)并聯(lián)的電解電容器,。如果是采用表面貼裝，可以選固態(tài)鉭電容用作降壓電容，但是必須仔細(xì)核對(duì)電容器的浪涌電流等級(jí)(浪涌電流通常出現(xiàn)在啟動(dòng)時(shí)),。在選擇降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的任何電容器時(shí),，需要尋找具有小等效串聯(lián)電容(ESL)、小等效串聯(lián)電阻(ESR),，最后是所需的總電容,。還有，就是根據(jù)約算選擇最優(yōu)的器件,。對(duì)于電容電壓等級(jí),，還有一點(diǎn)需要注意。為減少難以發(fā)現(xiàn)的故障,，可以選擇電壓等級(jí)是輸入電壓的1.2～1.3倍的電容器,，也就是說，電壓要跨越輸入電壓的范圍,。

　　在出現(xiàn)瞬態(tài)變化期間,，輸出電容器必須對(duì)輸出進(jìn)行濾波，再向負(fù)載提供電流,。有趣的是,，等效串聯(lián)電容(ESR)和電壓等級(jí)比實(shí)際容值對(duì)選擇什么樣的電容器影響更大。請(qǐng)注意,，來自電感器的峰峰值電流紋波會(huì)通過輸出電容器的ESR，轉(zhuǎn)換成峰峰值電壓紋波,。由于系統(tǒng)可能對(duì)輸出電壓紋波有限制,，選擇一款最小化ESR的電容(或一組并聯(lián)電容器)就變得十分重要。當(dāng)然,，電容器必須有足夠的電壓等級(jí),。根據(jù)這些要求，就可以從供應(yīng)商的電容器清單中選出最合適的方案,。最后要注意的一點(diǎn)是,，要對(duì)ESR數(shù)據(jù)加以更多的關(guān)注，因?yàn)閿?shù)據(jù)表里的ESR數(shù)據(jù)可能并不是在你所選用的開關(guān)頻率下得出的,。請(qǐng)檢查數(shù)據(jù)表,，查看調(diào)整過的ESR數(shù)值。

　　一般根據(jù)Rds(on),、柵極電荷和熱管理需求來選擇MOSFET,。查看幾家制造商的數(shù)據(jù)表，可以選擇象Infineon BSC050N03LS這樣的器件,，該器件的柵極電荷為35nC,，高邊MOSFET的Rds(on)為5mΩ。對(duì)應(yīng)地，可以選擇Rds(on)為1.6mΩ的低邊MOSFET(BSC016),。

　　使環(huán)路閉合

　　前面已經(jīng)討論過,，輸出要反饋到輸入端，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)補(bǔ)償環(huán)路,。補(bǔ)償?shù)姆绞接泻芏喾N,，比如Type I、Type II和Type III,。Type I是單極點(diǎn)方案,，Type II是帶有一個(gè)零點(diǎn)的雙極點(diǎn)方案，Type III是帶有兩個(gè)零點(diǎn)的三極點(diǎn)方案,。每種方案的元器件數(shù)量都比前一種要多,，不過也使得設(shè)計(jì)靈活性更好。從性能考慮,，通常將這個(gè)環(huán)路的帶寬設(shè)置為大約是開關(guān)頻率的四分之一,。環(huán)路頻率與實(shí)際開關(guān)頻率重疊得越多，環(huán)路響應(yīng)就越快,。此外,，要確保相位裕量大于30°，小于180°,，這是一個(gè)典型的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),。

　　電壓模式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)流程與磁滯降壓轉(zhuǎn)換器的流程類似。幸好,，高質(zhì)量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應(yīng)不那么重要,。其他流程也是類似的。

　　下面對(duì)設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的過程稍加總結(jié),。選擇完控制器IC后,，再選擇相應(yīng)的外部器件。對(duì)每種選擇方案來說,，參數(shù)的重要程度是不一樣的,。選定MOSFET、輸出電感器,、輸入和輸出電容器后,，再設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路。

　　人們已經(jīng)做了大量工作來設(shè)計(jì)一款良好的降壓轉(zhuǎn)換器,，而且現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度更高的版本,。有些設(shè)計(jì)集成了MOSFET，有些設(shè)計(jì)集成了補(bǔ)償電路,，還有的集成了輸出電感器,，比如Intersil的ISL8201M,。用戶所需要的只是設(shè)定輸出電壓的電阻、輸入電容器和輸出電容器,，這對(duì)忙碌的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說的確是個(gè)好消息,。