如何设计出高能效、高可靠性和高功率密度的同步降压稳压器

对于高频应用(>MHz)，控制管Q1的选用应针对降低开关损耗进行优化。Q1损耗的计算公式如下：

Q1的导通损耗PCOND随输入电压(VIN)增加而降低，开关损耗PSW随VIN增加而增加，栅极驱动损耗PRgate与VIN无关。当VIN为最大或最小时，Q1的总损耗最大。

2). 同步管Q2的损耗计算

Q2工作在零电压开关(ZVS)条件下，当Fsw<1.5 MHz时通常以导通损耗为主。在选择Q2时，建议选用：

?具有低FOM(低Rds_on x Qgs)的MOSFET，以降低Q2的总损耗

?低Qgd/Qgs 比率(<1)以防止快速dv/dt引起 Q1、Q2的直通现象

?对于高频应用，选用集成肖特基体二极管的MOSFET，以降低反向恢复损耗以及二极管导通损耗
Q2的损耗计算公式如下：

Q2的导通损耗PCOND随VIN升高而增加，开关损耗PSW只是随着VIN升高而略微增加。而Q2的寄生二极管导通损耗PDcond和栅极驱动损耗PRgate都与VIN无关。因此，当VIN为最大时，Q2损耗最大。
综上所述，当VIN为最大或最小时，Q1 + Q2总的损耗最大。进行计算时，必须同时考虑Q1和Q2的相互影响。

设计示例
以下通过一个设计示例, 演示如何完成控制管Q1和同步管Q2的 优化选择。如果要设计一个输出为5 V、10 A的同步降压稳压器，其输入电压VIN=8---16V，工作频率FSW= 350kHz。考虑到20%的安全裕量及开关节点的电压振荡，可初步选择额定电压30 V以上、额定电流IDCONT 额定值≥ 10.3 A的MOSFET。然后，根据具体的应用要求，确定MOSFET的封装要求。为简化演示，我们选择采用5x6 mm PQFN (Power 56) 封装的器件。综合以上选择条件，安森美半导体的产品阵容中有超过150个器件供选择，我们需再进一步从中挑选出合适的Q1和Q2。同样为简化演示，我们将列出用于Q1和Q2的各12个器件。

对于Q2，VIN= VINMAX时损耗最大。图3所示的12个器件中，FDMS7656AS有最低的最大损耗。但由于Q2 寄生参数会影响Q1的 开关损耗， 最小Q2 损耗通常并不意味着最佳的总能效。必须比较Q1及Q2的总功耗来找到最佳的Q2以实现最高能效。

图3：Q2的损耗对比

对于Q1，VIN= VINMAX或VINMIN时损耗最大。图4所示的12个器件中，FDMS8027S和FDMS8023S分别在VIN= VINMAX和VINMIN时有最低的最大损耗的Q1。

图4：Q1的损耗对比

为优化转换器能效，首先根据VIN选择损耗最小的Q1，然后选择产生损耗最小的Q2。本例中， 无论VIN最小或最大，最佳的Q2是相同的，都为FDMS7658AS(但并不总是如此，特别是具有宽VIN范围或高FSW时)。

图5：优化组合Q1和Q2

由于当VIN=VINMAX或VINMIN，Q1 + Q2总的损耗最大，我们需对总的损耗进行对比，选择最大损耗最低的最佳组合。如图6所示，选用FDMS8027S为Q1，FDMS7658AS为Q2时，Q1+Q2的最大损耗最低。

图6：Q1和Q2总的损耗对比

快速设计高效可靠的同步降压稳压器的工具：Power Supply WebDesigner
上述设计示例表明，在设计同步降压稳压器时，为选择最佳的Q1和Q2需进行大量繁琐复杂的计算。为帮助工程师快速完成高效可靠的设计，安森美半导体提供了强大的在线设计平台Power Supply WebDesigner ，加速FET优化。

图7：Power Supply WebDesigner 在线设计平台

通过Power Supply WebDesigner里的SynchronousBuck功率回路损耗分析工具Power Train Loss，工程师可轻松对比合格MOSFET器件的数据及性能，自动排除超过TJ 限制的器件，选择设计裕量和工作温度范围，选择单个或双重封装的MOSFET，根据额定电压、电流或封装筛选器件，添加并联器件和栅极阻尼电阻, 立即计算出不同的Q1 + Q2 组合的损耗，。在完成选定Q1和Q2后，工程师可获得输入电压笵围和负载笵围内功率回路的各类损耗和能效曲线，并根据各类曲线和功率回路能效汇总表针对不同的设计进行完整的分析、比较 (图8]。最后，Power Supply WebDesigner可提供PNG格式的电路原理图、Excel格式的器件清单、完整的PDF设计报告，工程师可在线保存，便于以后参考或修改。

图8：SynchronousBuck功率回路损耗分析工具应用

总结
为满足行业高能效、高可靠性和高功率密度的设计趋势，在进行同步降压稳压器的设计时，需从动态性能、能效设计等方面综合考虑。通过仔细调整元器件值，能够相对容易地实现优化的动态性能，但处理和优化MOSFET功耗的技术通常较为繁琐复杂。安森美半导体的Power Supply WebDesigner可帮助简化设计流程，加速MOSFET优化选择。