摘要：同步降壓穩(wěn)壓器是一種常用的電源，隨著各類應(yīng)用要求的不斷提高，行業(yè)越來越趨向于追求高能效、高可靠性、高功率密度的設(shè)計(jì)方案。比如應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的負(fù)載點(diǎn)(PoL)電源，輸入電壓越來越寬，工作頻率、功率密度也越來越高，隨著技術(shù)的發(fā)展，甚至可將整個(gè)電源系統(tǒng)集成在單個(gè)封裝中。同步降壓穩(wěn)壓器其電路結(jié)構(gòu)本身非常簡單，但工程師要完成高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，還是有著不少的技術(shù)挑戰(zhàn)，必須對穩(wěn)壓器電路的各種工作狀態(tài)有著非常深入、透徹的了解，同時(shí)還需完成大量的計(jì)算工作。本文將介紹快速設(shè)計(jì)出高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的技術(shù)，以及安森美半導(dǎo)體的PowerSupplyWebDesigner在線設(shè)計(jì)工具，幫助工程師解決所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1動(dòng)態(tài)性能的設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的同步降壓穩(wěn)壓器，首先必須滿足其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)如負(fù)載響應(yīng)能力。而輸出電感、電容的選擇會(huì)直接影響到穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)性能，所以同步降壓穩(wěn)壓器的功率電路設(shè)計(jì)通常是從選擇輸出電感和電容開始。

1.1選擇電感

    從電路設(shè)計(jì)的角度，為實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，必須選擇盡可能小的輸出濾波電感和最小的輸出電容。然而小的電感值會(huì)增加電感電流紋波，導(dǎo)致電感中有效電流值增加而使得導(dǎo)通損耗增大，同時(shí)所導(dǎo)致的峰值電流的增加，也會(huì)大大增加控制管的開關(guān)損耗。

    使用大電感，可減小電感中的電流紋波，從而降低穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波，所導(dǎo)致的低峰值電流也有助于降低MOSFET的開關(guān)損耗，但電感太大不僅會(huì)導(dǎo)致相對較大的直流阻抗，產(chǎn)生較高的電感損耗，還會(huì)降低穩(wěn)壓器的負(fù)載響應(yīng)能力，從而降低穩(wěn)壓器的動(dòng)態(tài)性能。

    為選擇適當(dāng)?shù)碾姼?，通?？杉俣娏骷y波ΔILO為電感平均電流的30%，然后根據(jù)下面的公式直接計(jì)算出合適的電感值。

    tDEAD(ON)是在檢測到Q1柵極關(guān)斷和Q2VGs達(dá)到閾值之間的總的死區(qū)時(shí)間。

    tDEAD(OFF)是在檢測到Q2柵極關(guān)斷和Q1導(dǎo)通之間的總的死區(qū)時(shí)。

    tDEAD(ON)是在檢測到Q1柵極關(guān)斷和Q2開始導(dǎo)通之間,驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部調(diào)節(jié)的或可編程的延遲時(shí)間(自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間)

    tDEAD(OFF)是在檢測到Q2柵極關(guān)斷和Q1開始導(dǎo)通之間,驅(qū)動(dòng)器的延遲。通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過tDEAD(ON)以避免誤觸發(fā)Q2

    PRgate是分布于Q2內(nèi)部柵極阻抗的損耗。

    PGDRV是儲(chǔ)存在柵極電容的能量。

    RDRV(SRC)是Q2導(dǎo)通(源電流)時(shí)Q2驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部阻抗。

    RDRV(SNK)是Q2關(guān)斷(汲電流)時(shí)Q2驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部阻抗。

    gFS是MOSFET的正向跨導(dǎo)

    VSPEC是當(dāng)MOSFET阻抗為RDS(ON)時(shí)的柵極電壓。

    CISS是當(dāng)VDS接近0V時(shí)的輸入電容,約為數(shù)據(jù)表中CISS典型值的1.25倍。

    輸出電容及反向恢復(fù)損耗與同步管Q2的Coss及Qrr有關(guān),主要耗散于控制管Q1。如圖4所示。

圖4Q2的損耗對比

    Q2的導(dǎo)通損耗PCOND隨VIN升高而增加，開關(guān)損耗PSW只是隨著VIN升高而略微增加。而Q2的寄生二極管導(dǎo)通損耗PDcond和柵極驅(qū)動(dòng)損耗PRgate都與VIN無關(guān)。因此，當(dāng)VIN為最大時(shí)，Q2損耗最大。

    綜上所述，當(dāng)VIN為最大或最小時(shí)，Q1+Q2總的損耗最大。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須同時(shí)考慮Q1和Q2的相互影響。

3設(shè)計(jì)示例

    以下通過一個(gè)設(shè)計(jì)示例,演示如何完成控制管Q1和同步管Q2的優(yōu)化選擇。如果要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出為5V、10A的同步降壓穩(wěn)壓器，其輸入電壓VIN=8-16V，工作頻率FSW=350kHz?？紤]到20%的安全裕量及開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓振蕩，可初步選擇額定電壓30V以上、額定電流IDCONT額定值≥10.3A的MOSFET。然后，根據(jù)具體的應(yīng)用要求，確定MOSFET的封裝要求。為簡化演示，我們選擇采用5x6mmPQFN(Power56)封裝的器件。綜合以上選擇條件，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品陣容中有超過150個(gè)器件供選擇，我們需再進(jìn)一步從中挑選出合適的Q1和Q2。同樣為簡化演示，我們將列出用于Q1和Q2的各12個(gè)器件。

圖5 Q2的損耗對比

    對于Q2，VIN=VINMAX時(shí)損耗最大。圖5所示的12個(gè)器件中，F(xiàn)DMS7656AS有最低的最大損耗。但由于Q2寄生參數(shù)會(huì)影響Q1的開關(guān)損耗，最小Q2損耗通常并不意味著最佳的總能效。必須比較Q1及Q2的總功耗來找到最佳的Q2以實(shí)現(xiàn)最高能效。

圖6 Q1的損耗對比

    對于Q1，VIN=VINMAX或VINMIN時(shí)損耗最大。圖6所示的12個(gè)器件中，F(xiàn)DMS8027S和FDMS8023S分別在VIN=VINMAX和VINMIN時(shí)有最低的最大損耗的Q1。

    為優(yōu)化轉(zhuǎn)換器能效，首先根據(jù)VIN選擇損耗最小的Q1，然后選擇產(chǎn)生損耗最小的Q2。本例中，無論VIN最小或最大，最佳的Q2是相同的，都為FDMS7658AS(但并不總是如此，特別是具有寬VIN范圍或高FSW時(shí))，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化組合Q1和Q2

    由于當(dāng)VIN=VINMAX或VINMIN，Q1+Q2總的損耗最大，我們需對總的損耗進(jìn)行對比，選擇最大損耗最低的最佳組合。如圖8所示，選用FDMS8027S為Q1，F(xiàn)DMS7658AS為Q2時(shí)，Q1+Q2的最大損耗最低。

圖8 Q1和Q2總的損耗對比

    快速設(shè)計(jì)高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的工具：PowerSupplyWebDesigner

    上述設(shè)計(jì)示例表明，在設(shè)計(jì)同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)，為選擇最佳的Q1和Q2需進(jìn)行大量繁瑣復(fù)雜的計(jì)算。為幫助工程師快速完成高效可靠的設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體提供了強(qiáng)大的在線設(shè)計(jì)平臺(tái)PowerSupplyWebDesigner，加速FET優(yōu)化，如圖9所示。

圖9PowerSupplyWebDesigner在線設(shè)計(jì)平臺(tái)

    通過PowerSupplyWebDesigner里的SynchronousBuck功率回路損耗分析工具PowerTrainLoss，工程師可輕松對比合格MOSFET器件的數(shù)據(jù)及性能，自動(dòng)排除超過TJ限制的器件，選擇設(shè)計(jì)裕量和工作溫度范圍，選擇單個(gè)或雙重封裝的MOSFET，根據(jù)額定電壓、電流或封裝篩選器件，添加并聯(lián)器件和柵極阻尼電阻,立即計(jì)算出不同的Q1+Q2組合的損耗，。在完成選定Q1和Q2后，工程師可獲得輸入電壓范圍和負(fù)載范圍內(nèi)功率回路的各類損耗和能效曲線，并根據(jù)各類曲線和功率回路能效匯總表針對不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整的分析、比較。最后，PowerSupplyWebDesigner可提供PNG格式的電路原理圖、Excel格式的器件清單、完整的PDF設(shè)計(jì)報(bào)告，工程師可在線保存，便于以后參考或修改。

4總結(jié)

    為滿足行業(yè)高能效、高可靠性和高功率密度的設(shè)計(jì)趨勢，在進(jìn)行同步降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)時(shí)，需從動(dòng)態(tài)性能、能效設(shè)計(jì)等方面綜合考慮。通過仔細(xì)調(diào)整元器件值，能夠相對容易地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)性能，但處理和優(yōu)化MOSFET功耗的技術(shù)通常較為繁瑣復(fù)雜。安森美半導(dǎo)體的PowerSupplyWebDesigner可幫助簡化設(shè)計(jì)流程，加速M(fèi)OSFET優(yōu)化選擇。