高頻率、高輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)實(shí)例

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

　　應(yīng)用選擇

　　為了說(shuō)明使用高開關(guān)頻率的權(quán)衡過(guò)程，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)獨(dú)立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)換器使用的中頻通用5-V總線供電，例如：低壓降穩(wěn)壓器等。若想建立一些設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，用作所有設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器。TPS54160特有外部補(bǔ)償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應(yīng)用。

　　電感和電容選擇

　　根據(jù)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)

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　　可重寫為：

(1b)

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　　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)

　　可重寫為：

(2b)

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　　其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。

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

　　圖 1 TPS54160 參考示意圖

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　　圖1所示電路用于評(píng)估實(shí)驗(yàn)臺(tái)上每種設(shè)計(jì)的性能。示意圖中沒(méi)有值的一些組件，為設(shè)計(jì)中修改了的組件。輸出濾波器由L1和C2組成。所有三種設(shè)計(jì)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(jié)果。注意，每個(gè)電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因?yàn)檩^少的匝數(shù)所需的銅長(zhǎng)度更短。我們單獨(dú)為每個(gè)開關(guān)頻率設(shè)計(jì)了誤差放大器補(bǔ)償組件。選擇補(bǔ)償值的計(jì)算方法，超出了本文討論的范圍。

　　最小“導(dǎo)通”時(shí)間

　　最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間限制是DC/DC轉(zhuǎn)換器IC的一個(gè)特點(diǎn)，其為脈寬調(diào)制(PWM)電路的最窄可達(dá)脈寬。在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)周期期間功率MOSFET導(dǎo)通的時(shí)間百分比被稱作占空比，其等于輸出電壓與輸入電壓的比。使用TPS54160轉(zhuǎn)換器時(shí)，占空比為0.104(4 V/48 V)，而數(shù)據(jù)表中列出的最小“導(dǎo)通”時(shí)間為130 ns?？煽孛}寬限制產(chǎn)生一個(gè)最小可達(dá)占空比，而用最小“導(dǎo)通”時(shí)間乘以開關(guān)頻率，我們可以輕松地計(jì)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(jì)算出最低可達(dá)輸出電壓。最低輸出電壓同樣也受轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)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開關(guān)頻率來(lái)產(chǎn)生一個(gè)5-V輸出電壓(參見表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(zhuǎn)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)開關(guān)頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表，了解保證最小可控“導(dǎo)通”時(shí)間。

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

　　應(yīng)用選擇

　　為了說(shuō)明使用高開關(guān)頻率的權(quán)衡過(guò)程，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)獨(dú)立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)換器使用的中頻通用5-V總線供電，例如：低壓降穩(wěn)壓器等。若想建立一些設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，用作所有設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器。TPS54160特有外部補(bǔ)償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業(yè)應(yīng)用。

　　電感和電容選擇

　　根據(jù)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)

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　　可重寫為：

(1b)

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　　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)

　　可重寫為：

(2b)

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　　其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。

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