DC/DC轉換器的設計頻率越來越快，目的是減小輸出電容和電感的尺寸，以節省電路板空間。正因如此，現在市場上出現越來越多工作在高輸入電壓下的DC/DC轉換器，其可提供線壓瞬態保護，更低的占空比使更快頻率下難以達到更低的電壓。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轉換器似乎是一個好主意，但開關頻率對電源系統產生的影響遠不止體積和效率兩方面。本文介紹了幾個設計實例，說明在高頻下開關存在的一些好處和挑戰。
應用選擇
為了說明使用高開關頻率的權衡過程，我們設計了三個獨立電源，其工作頻率分別為100、300和750 kHz。所有這三種設計，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5V邏輯USB，或者為其它DC/DC轉換器使用的中頻通用5-V總線供電，例如：低壓降穩壓器等。若想建立一些設計限制，所選允許紋波電壓需為50mV，其約為輸出電壓的1%；同時選擇使用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轉換器，用作所有設計的穩壓器。TPS54160特有外部補償和快速可編程頻率，適用于一些高輸入電壓的工業應用。
電感和電容選擇
根據下列四個簡化公式，選擇每種情況的電感和電容：
電感選擇
V= L x di/dt （1a）
可重寫為：
（1b）
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）
其中，△I = 0.5 A峰至峰，且△V=50 mV。
就方程式2b而言，我們假設所選電容的等效串聯電阻（ESR）忽略不計，陶瓷電容便是如此。我們選擇陶瓷電容，用于所有三種設計，原因是其低電阻和小尺寸。方程式2b分子的乘數2表明DC偏壓相關電容下降情況，原因是大多數陶瓷電容的數據表中都沒有說明這一效應。
圖1所示電路用于評估實驗臺上每種設計的性能。示意圖中沒有值的一些組件，為設計中修改了的組件。輸出濾波器由L1和C2組成。所有三種設計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的結果。注意，每個電感的DC電阻隨頻率增加而減小。這是因為較少的匝數所需的銅長度更短。我們單獨為每個開關頻率設計了誤差放大器補償組件。選擇補償值的計算方法，超出了本文討論的范圍。
圖 1 TPS54160 參考示意圖
表1 三個舉例電源設計的電容和電感選擇
最小“導通”時間
最小可控“導通”時間限制是DC/DC轉換器IC的一個特點，其為脈寬調制（PWM）電路的最窄可達脈寬。在降壓轉換器中，開關周期期間功率MOSFET導通的時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轉換器時，占空比為0.104（4 V/48 V），而數據表中列出的最小“導通”時間為130 ns。可控脈寬限制產生一個最小可達占空比，而用最小“導通”時間乘以開關頻率，我們可以輕松地計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，我們便可以計算出最低可達輸出電壓。最低輸出電壓同樣也受轉換器基準電壓的限制，使用TPS54160時其為0.8V。
本例中，我們可以通過750-kHz開關頻率來產生一個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轉換器會跳過脈沖。替代方法是降低輸入電壓或者頻率。在選擇某個開關頻率以前，你最好是先查看DC/DC轉換器數據表，了解保證最小可控“導通”時間。
表2 130-ns最小“導通”時間的最小輸出電壓
脈沖跳躍
DC/DC轉換器無法足夠快速地清除門驅動脈沖來維持理想占空比時，便會出現脈沖跳躍。電源會嘗試調節輸出電壓，但由于距離更遠的脈沖，紋波電壓會增加。由于存在脈沖跳躍，輸出紋波會呈現出分諧波成分，其可能出現噪聲問題。限流電路也可能不再正常工作，因為IC可能不響應大電流峰值。一些情況下，如果控制器不正常工作，控制環路便可能會不穩定。
效率和功耗
DC/DC轉換器的效率，是進行電源設計時需要考慮的最重要屬性之一。低效率會轉換成高功耗，必須要在印刷電路板（PCB）上使用單獨的散熱器或者更多的銅，才能處理這些功耗。功耗也對電源上游器件提出了更高的要求。如表3所示，功耗共有幾個組成部分。
表 3 功耗組成部分
三個例子的重要損耗組成部分，來自于FET驅動損耗、FET開關損耗和電感損耗。FET電阻和IC損耗是一致的，因為所有三個設計中都使用了相同的IC。由于所有例子中都選擇了低ESR的陶瓷電容，因此電容損耗可以忽略不計。為了表明高頻開關的影響，我們對每個例子的效率都進行了測量，并將其顯示在圖2中。該圖清楚地表明，效率隨開關頻率增加而下降。若想提高所有頻率下的效率，需要尋找到一種全負載狀態下低漏到源“導通”電阻、低門電荷或者低靜態電流規范的DC/DC轉換器；或者尋找到一些具有更低等效電阻的電容和電感。
圖 2 三個舉例頻率下TPS54160的效率
組件尺寸
表4列出了三種設計要求的總電路板面積，以及電容和電感的焊盤面積。電容或者電感的建議焊盤面積，稍稍大于單個組件本身，且三種設計舉例均使用了該面積。每個組件占用的面積相加（其包括IC、濾波器以及所有其它小型電阻器和電容的焊盤尺寸），然后將得到的結果乘以2倍（考慮到組件的間距），便得到總面積。100-kHz和750-kHz設計之間存在近250 mm2的總面積節省，從而使濾波器體積縮小50%，而板空間占用減少55%。但是，存在收益遞減規律，因為電容和電感值無法減少至零！換句話說，不斷推高頻率并不能夠一直減小總尺寸，因為你無法總是能夠在市場上買到這些尺寸適合且批量生產的電感和電容。注意，33-μH和15-μH電感占用相同的面積。存在這種可能性，是因為33-μH電感的高度為3.5 mm，而15-μH電感僅高2.4 mm。我們想通過這兩種電感來說明的觀點是：電感與體積成正比例關系。
表4 組件尺寸和總面積要求
瞬態響應
瞬態響應是電源性能級別的一個較好指標。我們利用每種電源的波特圖來表明高開關頻率的對比情況（參見圖3）。如圖所示，每個電源的相位裕度在45°和55°之間，其表明瞬態響應得到較好的抑制。交叉頻率約為開關頻率的1/8。使用快速開關DC/DC轉換器時，設計人員應確保電源IC誤差放大器具有足夠的帶寬來支持高交叉頻率。TPS54160誤差放大器的單位增益頻寬一般為2.7 MHz。表5顯示了實際瞬態響應時間以及電壓峰值過沖的相關值。開關頻率越高，過沖值便越是更低，原因是更寬的帶寬。
圖3 100kHz、300 kHz和750 kHz的波特圖
表5 瞬態響應
抖動考慮
高轉換比和更高頻率時，會存在噪聲問題。當選擇某個高開關頻率時，設計人員應考慮抖動和DC/DC轉換器的最小“導通”時間。當占空比較小時，抖動噪聲便為開關脈沖的更大百分比。表6顯示了48-V到5-V轉換比時，抖動與“導通”時間之比。我們假設，在該相位節點上存在0.5-V二極管壓降和20-ns抖動。
表6 小占空比時抖動與“導通”時間之比
結論
設計高頻開關轉換器時，存在許多折中考慮。本文介紹的一些優點包括更小的尺寸、更快的瞬態響應，以及更小的電壓過沖/欠沖。獲得這些優點的代價是效率低和散熱多。但是，在挑戰性能極限的過程中同樣也存在許多陷阱，例如：脈沖跳躍和噪聲問題。在為高頻應用選擇一種寬輸入電壓DC/DC轉換器以前，我們應該首先查看制造廠商提供的數據表，以了解一些重要的規范，例如：最小“導通”時間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻以及FET開關損耗。在這些規范下運行良好的IC價格昂貴，但卻對得起它的價格；在設計人員擔心如何處理某個棘手的設計問題時，其更加易于使用。
|
