DC/DC轉換器的設計頻率越來(lái)越快，目的是減小輸出電容和電感的尺寸，以節省電路板空間。正因如此，現在市場(chǎng)上出現越來(lái)越多工作在高輸入電壓下的DC/DC轉換器，其可提供線(xiàn)壓瞬態(tài)保護，更低的占空比使更快頻率下難以達到更低的電壓。許多電源集成電路制造廠(chǎng)商（IC）正在積極推銷(xiāo)高頻DC/DC轉換器，聲稱(chēng)可以減少電路板空間占用。工作在1MHz或者2MHz下的DC/DC轉換器似乎是一個(gè)好主意，但開(kāi)關(guān)頻率對電源系統產(chǎn)生的影響遠不止體積和效率兩方面。本文介紹了幾個(gè)設計實(shí)例，說(shuō)明在高頻下開(kāi)關(guān)存在的一些好處和挑戰。

應用選擇

為了說(shuō)明使用高開(kāi)關(guān)頻率的權衡過(guò)程，我們設計了三個(gè)獨立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設計，輸入電壓均為48V，輸出電壓均為5V，而輸出電流均為1A。這些要求常用于為一個(gè)5-V邏輯USB，或者為其它DC/DC轉換器使用的中頻通用5-V總線(xiàn)供電，例如：低壓降穩壓器等。若想建立一些設計限制，所選允許紋波電壓需為50mV，其約為輸出電壓的1%；同時(shí)選擇使用0.5 A的峰至峰電感電流。德州儀器TPS54160是一種集成MOSFET的2.5-MHz、60-V、1.5-A降壓DC/DC轉換器，用作所有設計的穩壓器。TPS54160特有外部補償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應用。

電感和電容選擇

根據下列四個(gè)簡(jiǎn)化公式，選擇每種情況的電感和電容：

電感選擇

 (1a)

可重寫(xiě)為：

 (1b)

其中，D（占空比）=5 V/48 V=0.104，且△I = 0.5 A峰至峰。

電容選擇

I= C x dv/dt （2a）

可重寫(xiě)為：

(2b)

其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。

就方程式2b而言，我們假設所選電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）忽略不計，陶瓷電容便是如此。我們選擇陶瓷電容，用于所有三種設計，原因是其低電阻和小尺寸。方程式2b分子的乘數2表明DC偏壓相關(guān)電容下降情況，原因是大多數陶瓷電容的數據表中都沒(méi)有說(shuō)明這一效應。

圖 1 TPS54160 參考示意圖

圖1所示電路用于評估實(shí)驗臺上每種設計的性能。示意圖中沒(méi)有值的一些組件，為設計中修改了的組件。輸出濾波器由L1和C2組成。所有三種設計的組件值都列舉在表1中，這些值的選擇是基于方程式1a到2b的結果。注意，每個(gè)電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因為較少的匝數所需的銅長(cháng)度更短。我們單獨為每個(gè)開(kāi)關(guān)頻率設計了誤差放大器補償組件。選擇補償值的計算方法，超出了本文討論的范圍。

最小“導通”時(shí)間

最小可控“導通”時(shí)間限制是DC/DC轉換器IC的一個(gè)特點(diǎn)，其為脈寬調制（PWM）電路的最窄可達脈寬。在降壓轉換器中，開(kāi)關(guān)周期期間功率MOSFET導通的時(shí)間百分比被稱(chēng)作占空比，其等于輸出電壓與輸入電壓的比。使用TPS54160轉換器時(shí)，占空比為0.104（4 V/48 V），而數據表中列出的最小“導通”時(shí)間為130 ns�？煽孛}寬限制產(chǎn)生一個(gè)最小可達占空比，而用最小“導通”時(shí)間乘以開(kāi)關(guān)頻率，我們可以輕松地計算出該占空比的大小。一旦知道了最小占空比，利用VIN乘以最小占空比，我們便可以計算出最低可達輸出電壓。最低輸出電壓同樣也受轉換器基準電壓的限制，使用TPS54160時(shí)其為0.8V。

本例中，我們可以通過(guò)750-kHz開(kāi)關(guān)頻率來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5-V輸出電壓（參見(jiàn)表2）。但是，如果該頻率為1 MHz，則最低可能輸出電壓被限制為約6V；否則，DC/DC轉換器會(huì )跳過(guò)脈沖。替代方法是降低輸入電壓或者頻率。在選擇某個(gè)開(kāi)關(guān)頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉換器數據表，了解保證最小可控“導通”時(shí)間。

脈沖跳躍

DC/DC轉換器無(wú)法足夠快速地清除門(mén)驅動(dòng)脈沖來(lái)維持理想占空比時(shí)，便會(huì )出現脈沖跳躍。電源會(huì )嘗試調節輸出電壓，但由于距離更遠的脈沖，紋波電壓會(huì )增加。由于存在脈沖跳躍，輸出紋波會(huì )呈現出分諧波成分，其可能出現噪聲問(wèn)題。限流電路也可能不再正常工作，因為IC可能不響應大電流峰值。一些情況下，如果控制器不正常工作，控制環(huán)路便可能會(huì )不穩定。

效率和功耗

DC/DC轉換器的效率，是進(jìn)行電源設計時(shí)需要考慮的最重要屬性之一。低效率會(huì )轉換成高功耗，必須要在印刷電路板（PCB）上使用單獨的散熱器或者更多的銅，才能處理這些功耗。功耗也對電源上游器件提出了更高的要求。如表3所示，功耗共有幾個(gè)組成部分。

三個(gè)例子的重要損耗組成部分，來(lái)自于FET驅動(dòng)損耗、FET開(kāi)關(guān)損耗和電感損耗。FET電阻和IC損耗是一致的，因為所有三個(gè)設計中都使用了相同的IC。由于所有例子中都選擇了低ESR的陶瓷電容，因此電容損耗可以忽略不計。為了表明高頻開(kāi)關(guān)的影響，我們對每個(gè)例子的效率都進(jìn)行了測量，并將其顯示在圖2中。該圖清楚地表明，效率隨開(kāi)關(guān)頻率增加而下降。若想提高所有頻率下的效率，需要尋找到一種全負載狀態(tài)下低漏到源“導通”電阻、低門(mén)電荷或者低靜態(tài)電流規范的DC/DC轉換器；或者尋找到一些具有更低等效電阻的電容和電感。

表 1 三個(gè)舉例電源設計的電容和電感選擇

表 2 130-ns最小“導通”時(shí)間的最小輸出電壓

表 3 功耗組成部分

圖 2 三個(gè)舉例頻率下 TPS54160 的效率

組件尺寸

表4列出了三種設計要求的總電路板面積，以及電容和電感的焊盤(pán)面積。電容或者電感的建議焊盤(pán)面積，稍稍大于單個(gè)組件本身，且三種設計舉例均使用了該面積。每個(gè)組件占用的面積相加（其包括IC、濾波器以及所有其它小型電阻器和電容的焊盤(pán)尺寸），然后將得到的結果乘以2倍（考慮到組件的間距），便得到總面積。100-kHz和750-kHz設計之間存在近250 mm2的總面積節省，從而使濾波器體積縮小50%，而板空間占用減少55%。但是，存在收益遞減規律，因為電容和電感值無(wú)法減少至零！換句話(huà)說(shuō)，不斷推高頻率并不能夠一直減小總尺寸，因為你無(wú)法總是能夠在市場(chǎng)上買(mǎi)到這些尺寸適合且批量生產(chǎn)的電感和電容。注意，33-µH和15-µH電感占用相同的面積。存在這種可能性，是因為33-µH電感的高度為3.5 mm，而15-µH電感僅高2.4 mm。我們想通過(guò)這兩種電感來(lái)說(shuō)明的觀(guān)點(diǎn)是：電感與體積成正比例關(guān)系。

表 4 組件尺寸和總面積要求

圖 3 100kHz、300 kHz和750 kHz 的波特圖

瞬態(tài)響應

瞬態(tài)響應是電源性能級別的一個(gè)較好指標。我們利用每種電源的波特圖來(lái)表明高開(kāi)關(guān)頻率的對比情況（參見(jiàn)圖3）。如圖所示，每個(gè)電源的相位裕度在45°和55°之間，其表明瞬態(tài)響應得到較好的抑制。交叉頻率約為開(kāi)關(guān)頻率的1/8。使用快速開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器時(shí)，設計人員應確保電源IC誤差放大器具有足夠的帶寬來(lái)支持高交叉頻率。TPS54160誤差放大器的單位增益頻寬一般為2.7 MHz。表5顯示了實(shí)際瞬態(tài)響應時(shí)間以及電壓峰值過(guò)沖的相關(guān)值。開(kāi)關(guān)頻率越高，過(guò)沖值便越是更低，原因是更寬的帶寬。

表 5 瞬態(tài)響應

表 6 小占空比時(shí)抖動(dòng)與“導通”時(shí)間之比

抖動(dòng)考慮

高轉換比和更高頻率時(shí)，會(huì )存在噪聲問(wèn)題。當選擇某個(gè)高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，設計人員應考慮抖動(dòng)和DC/DC轉換器的最小“導通”時(shí)間。當占空比較小時(shí)，抖動(dòng)噪聲便為開(kāi)關(guān)脈沖的更大百分比。表6顯示了48-V到5-V轉換比時(shí)，抖動(dòng)與“導通”時(shí)間之比。我們假設，在該相位節點(diǎn)上存在0.5-V二極管壓降和20-ns抖動(dòng)。

結論

設計高頻開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)，存在許多折中考慮。本文介紹的一些優(yōu)點(diǎn)包括更小的尺寸、更快的瞬態(tài)響應，以及更小的電壓過(guò)沖/欠沖。獲得這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是效率低和散熱多。但是，在挑戰性能極限的過(guò)程中同樣也存在許多陷阱，例如：脈沖跳躍和噪聲問(wèn)題。在為高頻應用選擇一種寬輸入電壓DC/DC轉換器以前，我們應該首先查看制造廠(chǎng)商提供的數據表，以了解一些重要的規范，例如：最小“導通”時(shí)間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻以及FET開(kāi)關(guān)損耗。在這些規范下運行良好的IC價(jià)格昂貴，但卻對得起它的價(jià)格；在設計人員擔心如何處理某個(gè)棘手的設計問(wèn)題時(shí)，其更加易于使用。