降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡析1

降壓轉(zhuǎn)換器

從今天開始簡單解析一些常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，首先從降壓轉(zhuǎn)換器開始。

顧名思義，降壓轉(zhuǎn)換器只能產(chǎn)生比輸入電壓更低的平均輸出電壓。具有降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)波形的基本原理圖如圖1所示。

圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與工作原理

在降壓轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)管（Q1）與輸入電壓源VIN串聯(lián)。輸入源VIN通過開關(guān)管和電感和電容組成的低通濾波器為輸出供電。

工作原理

在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通一段TON時，輸入為輸出和電感(L)提供能量。在TON期間，電感電流流過開關(guān)，VIN和VOUT之間的電壓差施加到電感，如圖1(C)所示。因此，電感器電流IL從其當(dāng)前值IL1線性上升到IL2，如圖1(E)所示。

在TOFF期間，當(dāng)開關(guān)斷開時，電感器電流繼續(xù)沿相同方向流動，因?yàn)殡姼衅鲀?nèi)的存儲能量繼續(xù)提供負(fù)載電流。二極管D1在Q1關(guān)斷期間(TOFF)完成電感器電流的續(xù)流；因此，它被稱為續(xù)流二極管。在此TOFF期間，輸出電壓VOUT反向施加在電感上，如圖1(C)所示。因此，電感電流從其當(dāng)前值IL2減小到IL1，如圖1(E)所示。

如圖中（E）所示，在這種情況下電感的電流是連續(xù)的，在一個開關(guān)周期（TS）內(nèi)永遠(yuǎn)不會達(dá)到零，這種工作模式稱為連續(xù)導(dǎo)通模式。在連續(xù)導(dǎo)通模式中，輸出和輸入電壓之間的關(guān)系由公式1給出，

公式1：降壓轉(zhuǎn)換器VOUT / VIN關(guān)系

其中D被稱為占空比，由公式2給出，

公式2：占空比

如果輸出與輸入電壓之比小于0.1，則建議選擇兩級的降壓轉(zhuǎn)換器，這意味著在兩次降壓操作中降壓，因?yàn)閴翰钐髸?dǎo)致器件應(yīng)力過大，效率會降低很多。雖然降壓轉(zhuǎn)換器可以工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下也可以是非連續(xù)導(dǎo)通模式下，但它的輸入電流總是不連續(xù)的，如圖1(D)中所示。這導(dǎo)致比其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更大的電磁干擾（EMI）濾波器。

電感值的選擇

在設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時，總是需要在電感和電容尺寸選擇之間進(jìn)行權(quán)衡。

較大的電感值意味著多次轉(zhuǎn)向磁芯，但在輸出電容上可以看到較小的紋波電流（<滿載電流的10％）; 因此，電感上的損耗會增加。此外，較小的紋波電流使電流模式控制幾乎不可能實(shí)現(xiàn)（有關(guān)電流模式控制技術(shù)的詳細(xì)信息，請參閱“控制方法”）。因此，在轉(zhuǎn)換器中可以觀察到較差的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

較小的電感值會增加紋波電流。這使得電流模式控制的實(shí)現(xiàn)更容易，結(jié)果轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)得以改善。但是，高紋波電流需要低等效串聯(lián)電阻（ESR）輸出電容，以滿足峰峰值輸出電壓紋波要求。通常，為了實(shí)現(xiàn)電流模式控制，電感器處的紋波電流應(yīng)至少為滿載電流的30％。

前饋控制

在降壓轉(zhuǎn)換器中，通過引入輸入電壓前饋控制，可以最小化輸入電壓變化對輸出電壓的影響。與使用模擬控制方法相比，使用具有輸入電壓感應(yīng)的數(shù)字控制器時，很容易實(shí)現(xiàn)前饋控制。在前饋控制方法中，在輸入電壓的變化實(shí)際上影響輸出參數(shù)之前，一旦在輸入電壓中檢測到任何變化，控制器就開始采取適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)動作，我們后續(xù)講到的峰值電流模式控制就有這種前饋特性。

同步降壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)輸出電流要求高時，續(xù)流二極管D1上的過多功率損耗限制了可以實(shí)現(xiàn)的最小輸出電壓。為了減少高電流損耗以及實(shí)現(xiàn)更低的輸出電壓，續(xù)流二極管可由具有極低導(dǎo)通狀態(tài)電阻RDSON的MOSFET代替。該MOSFET與降壓MOSFET同步導(dǎo)通和關(guān)斷。因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器。此同步MOSFET需要柵極驅(qū)動信號，它是降壓開關(guān)柵極驅(qū)動信號的補(bǔ)充。

因?yàn)镸OSFET可以在任一方向上導(dǎo)通; 這意味著如果由于輕負(fù)載導(dǎo)致電感中的電流達(dá)到零，則應(yīng)立即關(guān)閉同步MOSFET。否則，由于輸出LC諧振，電感電流的方向?qū)⒎崔D(zhuǎn)（在達(dá)到零之后）。在這種情況下，同步MOSFET則會充當(dāng)輸出電容的負(fù)載，并通過MOSFET中的RDSON（導(dǎo)通狀態(tài)電阻）消耗能量，導(dǎo)致在非連續(xù)工作模式下功率損耗增加（電感電流在一個開關(guān)周期達(dá)到零）。如果降壓轉(zhuǎn)換器電感器設(shè)計(jì)用于中等負(fù)載，但需要在無負(fù)載和/或輕負(fù)載下運(yùn)行，則可能發(fā)生這種情況。在這種情況下，如果在電感器達(dá)到零之后沒有立即關(guān)斷同步MOSFET，則輸出電壓可能會低于調(diào)節(jié)限值。

多相同步降壓轉(zhuǎn)換器

設(shè)計(jì)單個同步降壓轉(zhuǎn)換器以在低輸出電壓下提供超過35安培的負(fù)載電流幾乎是不切實(shí)際的。如果負(fù)載電流要求超過35-40安培，通常需要并聯(lián)數(shù)個轉(zhuǎn)換器以提供負(fù)載。

為了優(yōu)化輸入和輸出電容器，所有并聯(lián)轉(zhuǎn)換器在相同的時基上運(yùn)行，并且每個轉(zhuǎn)換器在從前一個轉(zhuǎn)換器開始的固定時間或相位之后開始切換。這種類型的轉(zhuǎn)換器稱為多相同步降壓轉(zhuǎn)換器。圖2顯示了多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。固定時間或相位由時間段/n或360/n給出，其中“n”是并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。

輸入和輸出電容器的設(shè)計(jì)基于每個轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率乘以并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。輸出電容看到的紋波電流減少“n”倍。如圖2(E)所示，與圖1(D)所示的單個轉(zhuǎn)換器相比，多相同步降壓轉(zhuǎn)換器汲取的輸入電流是連續(xù)的，具有更小的紋波電流。因此，在多相同步降壓轉(zhuǎn)換器的情況下，較小的輸入電容器能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2：多相同步降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與工作原理