提升单相同步降压转换器效率的设计技巧

　　随着在线语音、视频、游戏和商务等数据密集型活动的普及，对带宽的要求正以前所未有的速度增加。数据中心的容量也在相应增加，但它们却面临有关电力成本和可用性，以及因计算要求提高而导致热效应不断增加的挑战。因此，有一点越来越重要，那就是最新型的功率设计必须能高效工作以确保满足带宽要求，并同时减少功耗及发热。

　　数字功率控制提供了一种增加服务器功率转换效率并简化设计的方法。采用数字环路控制可设计出更具效率的降压转换器，也能提高各相位的电流容许量。通过使用一种独特的栅极驱动控制算法的数字控制IC，单相同步降压转换器在低电压下能提供40A的电流。与现有解决方案相比，此设计方案的效率提高了2%。

　　改进的降压转换器

　　人们通常认为功率转换器数字方案的效率低于模拟方案的效率，但是新型数字PWM控制器能获得同于或高于传统模拟控制器设计的效率。与此同时，新型数字PWM控制器还可以扩展其性能界限。

　　与标准降压转换器不同是，这种设计增加了与第一个功率链并联的第二个功率链(图1)。这种设计以Zilker Labs的ZL2005数字功率控制器为基础，仍然是单相IC，但包含第二组MOSFET和第二个电感。由于采用能调节死区时间控制的栅极驱动控制数学算法，这种设计独特的控制器不但可以优化效率，还可在单相工作状态下输出高电流。该设计可输出40A电流，高于单相控制通常输出的20A～30A。

　　这个转换器被设计成将12V输入转换为1.8V或1V输出，输出电流高达40A。它的主要设计目的是尽可能提高效率，同时保持理想的瞬态特性。最大输出纹波的目标值为10mV，目标的瞬态响应是在25%电流负

　　载下保持在输出电压的3%以内。

　　这种双功率链设计允许使用标准的元件，因为多数可用的电感的额定值都是30A。它也可以使用普通电感。由于设计针对效率而进行了优化，因此有必要对降压转换器内消耗功率的所有设计点进行审查。

　　与标准降压转换器设计一样，降压转换器改进后的功率级中的每个元件都会消耗功率。输入和输出电容以其等效串联电阻(ESR)消耗功率，大小与所流过的纹波电流成比例。

　　电感线圈和磁芯材料的损耗会消耗功率。磁芯损耗与流过电感的纹波电流和纹波频率成比例。同步MOSFET (QL)以两种方式消耗功率：一是大小等于电流的函数的通道电阻

　　(RDSON)，二是MOSFET导通/关闭所需的栅极驱动电流。

　　栅极驱动电流损耗与频率成比例。同样，控制MOSFET (QH)也因其RDSON和栅极驱动电流而消耗功率，在其导通和关闭的瞬间也会消耗功率。在导通和关闭转换过程中消耗的功率称作开关损耗，它与频率成比例。许多功率级元件的损耗都与频率成比例，增加频率就会增加功耗，从而降低效率。控制MOSFET(OH)的导通时间可决定输入电压和输出电压的转换比。当QH关断时，电感电流继续流过同步MOSFET OL。为避免输入电压电源短路，ZL2005必须确保QH和QL不同时导通(即交叉导通)。QH和

　　QL都关断的时间称作死区时间。
　　

　　在死区时间期间，电感电流必须流过QL中的寄生漏极二极管。该二极管的电压降和产生的功耗大于电流流过QL漏极所产生的电压降和损耗。因此，应使死区时间降低到最小值，但不能降低到使MOSFET交叉导通的程度。这种情况能使高压侧栅极驱动(GH)的上升沿转换和下降沿转换时都有最佳的死区时间。如果MOSFET的时序在任一方向偏离此最佳值，效率都将会降低

　　死区时间控制

　　Zilker Labs的数字直流(Digital-DC)技术整合了可在功率级效率基础上连续优化MOSFET死区时间的算法。具有这种功能的典型模拟PWM试图使死区时间最短，但这样做可能使死区时间变得太短，从而出现交叉导通，这是由于MOSFET电容特性的差异(可能很大)而引起的。

　　相反，数字直流架构则在给定输入/输出电压比的基础上，通过寻找最低占空比，不断试图优化效率。这种最小占空比下的效率最高。需要注意的是，最佳效率点并非总出现在死区时间最短的情况下。

　　此外，该算法能捕捉FET电容或其它参数的变化，并在计算中给予补偿。另外值得一提的是，ZL2005的控制环全部以混合信号硬件实现。在实时处理环路控制信号时，不存在微控制器块或DSP功能干扰，

　　这样便可以获得模拟控制器的性能，却没有通常与纯数字电路实现相关的额外功率损耗和高的时钟频率。

　　在ZL2005中，输出电压误差信号通过一个A/D转换器进行转换，并通过器件控制算法进行处理。本设计采用的控制器混合PWM方法来处理得到的数字信息，并将时序信息(占空系数D和其补码D’) 转译成PWM驱动器的输入。一种专利架构和算法使这种占空比信息特别准确，精度达0.3μs(200kHz)～30ps(2MHz)。

尽管超出了