引言
您知道嗎，環(huán)境每升高10°C，元件壽命將減少50%？[1]電源陡降或變動會造成系統(tǒng)器件過早失效甚至完全燒毀？實際上，大多數(shù)人認(rèn)為功率敏感產(chǎn)品需要持久且高效的電源，這是必不可少的。但采用什么結(jié)構(gòu)呢？同步還是非同步？我們下面就討論一下上述兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)缺點。
供電選擇
每一種硬件系統(tǒng)都需要電源，而電源電壓大多高于電路要求。比如說電源輸入為9V，需要將其降低到5V，以保證系統(tǒng)正常運行。您有如下選擇：
- 具有基本穩(wěn)壓功能的并聯(lián)型穩(wěn)壓器，例如齊納二極管。齊納二極管及其限流電阻將9V電壓降到5V，齊納二極管限流電阻的壓降為4V。這種方法會產(chǎn)生熱量且浪費能源。
- 5V線性穩(wěn)壓器(LDO)。同樣，輸入為9V，得到5V輸出；LDO上的壓降為4V。如果電路消耗1A電流，LDO則耗散4W功率。也可以說，浪費的4W功率被作為熱量釋放了。
- DC-DC轉(zhuǎn)換器。采用這種方法，開關(guān)對輸出電感和電容進(jìn)行脈寬調(diào)制(即PWM)。當(dāng)輸出電壓達(dá)到5V，PWM占空比下降到接近零值時，開關(guān)消耗的電流非常小，響應(yīng)的功率損耗也非常低。這無疑是效率最高的設(shè)計選擇。
DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入電壓可以為任意值，標(biāo)準(zhǔn)值為6V、9V、12V、24V、48V。變壓器將120VAC降到標(biāo)準(zhǔn)電壓，然后整流、濾波并調(diào)節(jié)到直流電壓，供商業(yè)或工業(yè)設(shè)備使用。例如，電話系統(tǒng)采用48V，由電池備份電壓決定。如果交流電網(wǎng)斷電，電池備份系統(tǒng)將無縫切入。便攜式設(shè)備則是另一回事。這些設(shè)備一般使用電池輸出的直流供電，但需要進(jìn)一步穩(wěn)壓。由于電池電壓經(jīng)過一定時間周期后下降，需要對輸出電壓進(jìn)行升壓，以保持穩(wěn)定。如果系統(tǒng)工作電壓為3.3V，就需要在電池電壓下降的情況下仍然維持在3.3V。
設(shè)計電源中，您可以選擇“貌似”低成本的方案，例如上述簡單的并聯(lián)型穩(wěn)壓器或齊納二極管。注意，我們之所以說“貌似”低成本僅僅是物料單上看起來是這樣。這些方法存在隱蔽和附加的功耗成本，從而造成系統(tǒng)發(fā)熱、縮短電子元件的壽命。另外，LDO輸出的噪聲非常低，但缺點是功耗較高、差壓較大，電池壽命較短。
目前設(shè)計者轉(zhuǎn)向DC-DC轉(zhuǎn)換器，使得輸出在效率、散熱、精度、瞬態(tài)響應(yīng)以及成本方面都達(dá)到最優(yōu)平衡。簡單直接是好的選擇...但實現(xiàn)最優(yōu)DC-DC電源設(shè)計的過程如同在沒有地圖的雷區(qū)里導(dǎo)航，難度極大。轉(zhuǎn)換器的工作溫度限制了最大輸出功率，而工作溫度又隨著工業(yè)設(shè)備尺寸的縮小而升高。此外，大多數(shù)設(shè)備一般沒有強制的制冷/通風(fēng)裝置或散熱條件非常有限。那么， DC-DC最佳的選擇是什么？
DC-DC設(shè)計選擇
現(xiàn)在，我們討論一下非同步和同步DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點。非同步結(jié)構(gòu)是較老的設(shè)計，值得注意的是外部肖特基二極管的功耗。這種功耗相當(dāng)于降低了效率。我們推薦使用同步結(jié)構(gòu)，因為其內(nèi)部MOSFET具有較高效率，適合更小巧的尺寸。非同步轉(zhuǎn)換器與集成度更高的同步方案相比，其結(jié)構(gòu)差異如圖1所示。
 圖1. 非同步DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(左)利用外部肖特基二極管調(diào)節(jié)電壓；同步結(jié)構(gòu)(右)用集成MOSFET代替肖特基二極管。
考慮一下電源效率。最近幾年，模擬IC廠商推出同步DC-DC轉(zhuǎn)換器來提高電源效率，彌補外部肖特基二極管非同步結(jié)構(gòu)的功耗。現(xiàn)在，同步轉(zhuǎn)換器集成低邊功率MOSFET，來代替外部高損耗的肖特基二極管。低邊MOSFET的RON影響功耗，而二極管的正向偏壓VD決定肖特基二極管的功耗。如果兩種設(shè)計的電流保持相同，MOSFET壓降一般小于二極管壓降，所以MOSFET的功耗較低。
非同步方案中二極管的功耗為：
PD = VD × IOUT ×(1 – VOUT/VIN)
同步方案中MOSFET的功耗為：
PFET = RON × I²OUT × (1 – VOUT/VIN)
然而，有意見認(rèn)為非同步降壓轉(zhuǎn)換器在輕載和高占空比時的效率較高![[2]]( "[2]") ，看起來也沒有某一個轉(zhuǎn)換器能夠從輕載到重載都具有最優(yōu)效率。電源系統(tǒng)設(shè)計師又一次陷入“進(jìn)退兩難”的處境![[3]]( "[3]") ？
為了回答這一問題，可以考慮非同步轉(zhuǎn)換器在輕載條件下實現(xiàn)高效率的主要原動力。非同步轉(zhuǎn)換器中，電感電流僅單方向流動，不可能為負(fù)值；同步轉(zhuǎn)換器中，電流雙方向流動，這是一項缺點。
 圖2. 同步轉(zhuǎn)換器和非同步轉(zhuǎn)換器中的電流流向。
為克服同步轉(zhuǎn)換器中的雙向電流，設(shè)計了不同的工作模式，在輕載條件下形成“偽同步”模式。現(xiàn)代的DC-DC轉(zhuǎn)換器支持三種模式(圖3)：
- PWM @ CCM：連續(xù)傳導(dǎo)模式下的脈寬調(diào)制。此時，轉(zhuǎn)換器工作在恒定頻率；IL允許為負(fù)值。該模式允許轉(zhuǎn)換器快速響應(yīng)任何負(fù)載變化，哪怕下降到零負(fù)載，同時仍然保證輸出電壓紋波最小。但是，PWM@CCM模式在輕載時的效率較低。
- PWM @ DCM：非連續(xù)傳導(dǎo)模式下的脈寬調(diào)制。該方法也采用恒定頻率，但通過防止IL為負(fù)值來提高輕載時的效率。在輕載時禁止負(fù)方向電感電流，這與非同步方案類似。
- 帶深度休眠的PFM模式：帶深度休眠模式的脈沖頻率調(diào)制。該方法通過防止IL為負(fù)值，并在輕載時關(guān)斷兩個FET，采用跳脈沖，提高效率。跳脈沖期間，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入深度休眠模式，此時關(guān)斷不使用的內(nèi)部電路，以節(jié)省靜態(tài)電流。該模式實現(xiàn)了最佳可能效率，具有最高的輕載效率，缺點僅僅是輸出電壓紋波略高。
 圖3. Maxim Integrated喜馬拉雅DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的多種工作模式。
負(fù)載電流為中等到滿載時，所有模式的工作方式相同；差異在于負(fù)載電流降低到小于電感電流紋波一半時。
您的系統(tǒng)是否大多數(shù)時間都處于待機狀態(tài)(即低負(fù)載工作)，并注重電池壽命？可以選擇PFM模式，因為該模式具有最高的輕載效率。而關(guān)于PFM模式有一點要特別注意：請檢查確認(rèn)較高輸出紋波和較慢的瞬態(tài)響應(yīng)不會對待機期間的系統(tǒng)性能造成不良影響。
輕載下的瞬態(tài)性能對您的應(yīng)用特別重要？那么PWM @ CCM模式是最佳選擇，該模式具有最佳瞬態(tài)響應(yīng)，即使負(fù)載下降為零。
PWM @ DCM模式是其它兩種模式的最佳平衡。
結(jié)論
技術(shù)在不斷進(jìn)步，利用集成的高效率MOSFET代替外部肖特基二極管，并采用多種工作模式，同步方案在絕大多數(shù)緊湊設(shè)計中能夠提供出色的效率。采用新型同步技術(shù)提高下一代設(shè)計的電源性能，使總體設(shè)計更簡單、工作溫度更低，性能更好。 |
