基于高頻穩(wěn)壓器的電源設(shè)計的性能及成本權(quán)衡

自20世紀80年代以來，DC-DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器（“開關(guān)穩(wěn)壓器”）已經(jīng)成為電池供電應(yīng)用的流行，因為與線性穩(wěn)壓器相比，它具有固有的更高效率。此屬性允許電池使用時間更長，電路可以保持更冷。

隨著時間的推移，制造商已經(jīng)將調(diào)節(jié)器從幾百千赫茲切換到三或四兆赫茲的頻率增加了。在更高頻率下工作的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它允許使用更小的外部元件，如電感器和電容器，從而節(jié)省電路板空間和元件成本。

不幸的是，高頻設(shè)備的效率低于低速設(shè)備，這迫使工程師在縮短電池壽命的情況下權(quán)衡尺寸和成本優(yōu)勢。然而，新一代高頻電壓調(diào)節(jié)器利用現(xiàn)代工藝技術(shù)來提高性能。

本文詳細介紹了在設(shè)計基于高頻穩(wěn)壓器的電源時的權(quán)衡，并介紹了主要芯片供應(yīng)商提供的新型高效芯片的一些示例。

切換效率

線性穩(wěn)壓器是一種簡單有效的設(shè)備，用于將電池電壓調(diào)節(jié)到敏感硅所需的電壓。然而，它們有兩個主要缺點。首先，隨著輸入和輸出電壓之間的差異增加，效率下降。其次，線性穩(wěn)壓器只能降壓（“降壓”）而不是升壓（“升壓”）或反轉(zhuǎn)電壓。當設(shè)備無法再供電時，這種提升電壓的失敗可能會給電池留下未開發(fā)的潛力（參見TechZone文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點和缺點”）。

這些弱點已經(jīng)出現(xiàn)上升在開關(guān)穩(wěn)壓器的普及。開關(guān)穩(wěn)壓器在20世紀80年代進入主流，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）開關(guān)元件，包括一個或兩個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），與一個或兩個電感器和電容器配對，用于儲能和濾波。

當晶體管導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流時，其電源路徑上的壓降最小。當晶體管關(guān)閉并阻斷高電壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。因此，晶體管接近理想的開關(guān)并且功耗最小化。

高效率，低功耗和高功率密度（因為它們體積?。┦窃O(shè)計人員使用開關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器的主要原因，特別是在大電流應(yīng)用中。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器能夠提升，降壓和反轉(zhuǎn)電壓。許多制造商提供各種模塊化芯片，將開關(guān)穩(wěn)壓器的主要元件集成到一個緊湊，可靠且易于設(shè)計的器件中。

這種器件的效率（輸出功率/輸入功率x 100）通常高于80％，可高達95％。浪費的功率通常以熱量的形式消散。

雖然工作頻率決定了每單位時間的開關(guān)周期數(shù)，但PWM信號的占空比（D）決定了時間的百分比。開關(guān)元件導(dǎo)通并因此導(dǎo)通公式VOUT = D×VIN的輸出電壓（VOUT）。然而，工作頻率確實會對穩(wěn)壓器的設(shè)計和性能產(chǎn)生重大影響.1

為了適應(yīng)各種應(yīng)用，制造商提供的開關(guān)穩(wěn)壓器工作在100 kHz至4 MHz的頻率范圍內(nèi)。例如，在低頻端，凌力爾特公司為LT1574供電。這是一款200 kHz電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器，適用于9至5 V，5至3.3 V的電壓，以及該公司認為對噪聲敏感的產(chǎn)品非常有用的逆變操作。

LTC3601定位于公司產(chǎn)品系列的最高端。該芯片是一種電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠提供高達1.5 A的輸出電流。工作電源電壓范圍為4至15 V，工作頻率可編程高達4 MHz，該公司表示可以使用小型表面貼裝電感器。

高開關(guān)頻率的權(quán)衡

圖1顯示了降壓配置中的典型開關(guān)穩(wěn)壓器。在該電路中，電感器用作能量存儲裝置。當晶體管通電時，電流從輸入源流過晶體管和電感，流向輸出。電感器中的磁場積聚，儲存能量。電感器兩端的電壓降（與晶體管的占空比成比例）與輸入電壓的一部分相反（或“嗡嗡”）。當晶體管關(guān)閉時，電感器通過翻轉(zhuǎn)其電動勢（EMF）來對抗變化，并通過二極管向負載本身提供電流。

圖1：降壓配置中的典型開關(guān)穩(wěn)壓器。 （由Linear Technology提供）

升壓轉(zhuǎn)換器中也會發(fā)生類似情況。具體地，當晶體管導(dǎo)通時，電流從輸入流出。它通過電感和晶體管，能量存儲在電感的磁場中。通過二極管沒有電流，負載電流由電容器中的電荷提供。然后，當晶體管關(guān)閉時，電感器通過反轉(zhuǎn)其EMF來抵抗任何電流下降，從而提升源電壓和電流。電流從電源通過電感和二極管流向負載，并為電容器充電（參見TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。

雖然輸出電壓不受開關(guān)頻率的直接影響，開關(guān)速率確實對電源設(shè)計有重要影響。通常，較高的開關(guān)頻率允許使用較小的電感器（以及輸入和輸出濾波器電容器）。這是因為電感器尺寸主要取決于給定開關(guān)穩(wěn)壓器規(guī)范中允許的紋波電流量。對于給定的電感，紋波電流隨著開關(guān)頻率的增加而減小。因此，可以使用逐漸變小的電感來保持與開關(guān)穩(wěn)壓器頻率增加相同的紋波電流量 - 減小電源的尺寸和成本。

高頻操作也賦予開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬更大，提升器件的瞬態(tài)響應(yīng)（圖2）。

圖2：高頻操作可改善瞬態(tài)響應(yīng)（頂部2.2 MHz器件） ，底部550 kHz設(shè)備）。 [德州儀器公司提供]2

在高達4 MHz的頻率下進行切換的另一個好處是，它使設(shè)計人員能夠避開關(guān)鍵的噪聲敏感頻段，例如AM無線電。但是，需要權(quán)衡利弊。例如，當在高開關(guān)頻率下操作時，電磁干擾（EMI）可能是有問題的。開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的EMI與開關(guān)頻率的平方成正比 - 換句話說，如果開關(guān)頻率加倍，EMI可以增加四倍。密切關(guān)注印刷電路板（PCB）布局和元件選擇可以減輕EMI問題2（參見TechZone文章“電容器選擇是良好電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計的關(guān)鍵”）。

更高的開關(guān)頻率也意味著更大的功率損耗，需要更多的電路板空間或散熱器來散熱。由于每次恒定能量切換事件的數(shù)量較多，開關(guān)損耗隨著頻率的增加而增加。這些損耗中的一部分是由于開關(guān)穩(wěn)壓器的MOSFET需要一段有限的時間才能“開啟”或“關(guān)閉”。在開關(guān)瞬變期間產(chǎn)生電壓和電流重疊。圖3顯示了開關(guān)穩(wěn)壓器MOSFET的典型開關(guān)波形。主要的開關(guān)損耗是由于MOSFET的寄生電容充電和放電（QGD）造成的。 MOSFET的開關(guān)損耗（PSW）與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率（fS）成正比公式：

圖3：降壓穩(wěn)壓器MOSFET中的典型開關(guān)波形和損耗。 （由Linear Technology提供）

雖然更高的開關(guān)頻率允許使用更小的電感，但它也會直接增加該元件的損耗。電感器AC損耗主要由磁芯產(chǎn)生。在高頻開關(guān)調(diào)節(jié)器中，芯材料通常是粉末鐵或鐵氧體。粉末鐵比鐵氧體損失更大，但在任何一種情況下，損耗主要是由磁滯引起的。

其他與交流相關(guān)的損耗包括柵極驅(qū)動器損耗和死區(qū)時體二極管導(dǎo)通損耗。開關(guān)損耗的計算通常不簡單，但更容易看出它們與開關(guān)頻率成正比。

對于大于10 A負載電流的應(yīng)用，大多數(shù)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器工作在100 kHz至2 MHz范圍。例如，德州儀器（TI）的TPS53353是一款同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可在4.5至25 V輸入電壓范圍內(nèi)提供高達20 A的1.5至15 V電壓，并具有250 kHz至1 MHz的可調(diào)開關(guān)頻率。

對于低于10 A的負載電流，當功耗較小時，開關(guān)頻率可以增加到3或4 MHz。例如，Maxim提供MAX8560，一種同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，開關(guān)頻率為4 MHz。該器件可在2.7至5.5 V輸入電壓下工作，輸出電壓為0.6至2.5 V，最高可達500 mA。

每種設(shè)計的最佳頻率是經(jīng)過仔細權(quán)衡，尺寸，成本的結(jié)果，效率和其他性能參數(shù)。

縮小差距

穩(wěn)壓器中的實際開關(guān)損耗取決于拓撲結(jié)構(gòu)，組件和應(yīng)用。不久前，同步降壓轉(zhuǎn)換器從12 V輸入運行并產(chǎn)生3.3 V/10 A輸出，每增加100 kHz頻率，效率可能會降低1％。因此，對于其他類似設(shè)備，如果200 kHz開關(guān)穩(wěn)壓器的效率為93％，則500 KHz產(chǎn)品的效率為90％，而2 MHz開關(guān)穩(wěn)壓器則難以達到75％。

好消息是，功率模塊制造商最近將工作重點放在提高高頻開關(guān)穩(wěn)壓器的效率上 - 取得了一些驚人的成果。

改善主要是由于傳導(dǎo)和開關(guān)損耗較低。 MOSFET。通過改善功率晶體管的品質(zhì)因數(shù)（FOM）降低了這些損耗，這意味著更低的溝道電阻和更少的柵極驅(qū)動電荷。新的設(shè)計方法產(chǎn)生了具有更快開關(guān)邊沿的穩(wěn)壓器設(shè)計，進一步降低了MOSFET轉(zhuǎn)換期間的損耗。

這些變化縮小了高頻開關(guān)穩(wěn)壓器與低頻到中頻器件之間的差距。例如，TI提供兩種版本的LM26420。該模塊是雙通道2A高頻同步降壓穩(wěn)壓器，工作輸入范圍為3至5.5 V.輸出范圍為0.8至4.5 V，每個穩(wěn)壓器輸出電流為2A。該器件提供550 kHz和2.2 MHz版本。

圖4顯示，當輸入電壓從5 V轉(zhuǎn)換為輸出電壓1.2 V（2 A）時，2.2 MHz頻率選項的峰值效率僅降低3％（87％）與550 kHz器件相比。

圖4：TI LM26420在不同開關(guān)頻率下的效率（頂部為2.2 MHz器件，底部為550 kHz器件）。 [德州儀器公司提供]

同樣，Intersil提供1或2 MHz版本的ISL8002。 ISL8002是一款同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可在2.7至5.5 V輸入電源下提供高達2 A的連續(xù)輸出電流。在1 MHz的開關(guān)頻率下，VIN = 3.3 V，VOUT = 1.5 V，輸出負載為200 mA，效率為94％。在相同的工作條件下，2 MHz版本的效率為92％。

就其本身而言，STMicroelectronics提供2.5 MHz雙模降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器，效率同樣令人印象深刻。 STBB2提供1.2至4.5 V的輸出電壓，輸入電壓范圍為2.4至5.5 V.當VIN = 4.5 V，VOUT = 2.9 V，輸出負載為200 mA時，效率為91％。為了幫助設(shè)計人員，公司還提供了STEVAL-ISA109V2，旨在幫助評估STBB2（圖5）。

圖5：STMicroelectronics STBB2開關(guān)穩(wěn)壓器評估板。

減少妥協(xié)

高頻開關(guān)穩(wěn)壓器對設(shè)計工程師很有吸引力，因為它們可以實現(xiàn)更緊湊的設(shè)計和更好的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，作為對這些優(yōu)勢的回報，設(shè)計師之前面臨著更嚴峻的EMI挑戰(zhàn)和效率降低，縮短電池壽命和提高工作溫度。

然而，由于改進的設(shè)計和更好的工藝技術(shù)，當代功率模塊已經(jīng)解決了這些缺點中的至少一個。通過仔細選擇，工程師現(xiàn)在可以享受更緊湊設(shè)計的好處，而不必承受10％至15％的效率不足。現(xiàn)在的高頻元件的效率僅比以四分之一頻率運行的開關(guān)穩(wěn)壓器低幾個百分點。