提升单相同步降压转换器效率的设计技巧

本文讨论的范围，但这种数字直流架构也能在不增加额外元件的情况下实现功率管理功能，如跟踪、预留余量、监测以及排序。为控制这些功能，ZL2005支持PMBus标准指令集。控制器运行也可以通过引脚跨接来配置，在本降压转换器设计中就是采用了这种方法。

　　效率优化

　　降压功率级的设计要求在尺寸、效率、电气性能和成本间进行权衡考虑。可以在牺牲效率的情况下增加开关频率来缩小尺寸，也可以通过采用过孔电感和电容来最大限度降低成本。不过，这些元件物理的尺寸大，电气性能可能没有表面贴元件好。

　　1、频率选择

　　必须在设计开始时就选择工作频率。这个频率是起始频率，可随设计的进展而调节。表1汇总了普通应用中的一些频率范围。为使效率最高，在本例中选择300kHz的开关频率。

　　数字直流技术可使设计工程师不用改变电路板上的任何元件即可调节频率。这样，设计工程师就能在达到了所有其它设计目标之后，再选择效率最高的最佳频率。可以通过将专用引脚跨接到3个状态中的一个(高电平、悬空或地)来将频率调整到预定义值上。这也可以通过SMBus接口来实现，可以将频率设置在200kHz～2MHz之间。

　　2．电感选择

　　选择输出电感时必须考虑多个折衷。电感量的大小必须足够大以实现低纹波电流(IOPP)。纹波电流低则可以使用更小的输出电容，而同时仍能达到理想的输出纹波电压。高电感值将牺牲输出瞬态负载性能，因为纹波电流低则输出纹波低，纹波电流高则瞬态负载改变幅度时输出偏移小，所以必须在低纹波电流和高纹波电流之间作出选择。选择输出电感电流纹波等于期望的负载瞬态阶跃幅度

　　(IOSTEP)是一个好的开始：

　　这样输出电感就可以采用下式计算，其中VINM是最大输入电压：

　　在40A设计(每个电感器为20A)的情况下，采用VINM=14V、IOPP=10A、FSW=300kHz和VOUT=2.5V(VOUT的取值范围为1V至2.5V)。利用等式2，计算得到电感值为685nH。这里选择PG0077.801 750nH、1.3mΩ、31A的脉冲电感器。这个电感器可提供串联电阻相对较低(1.3mΩ)的理想电感，同时还可提供足够的峰值和平均电流额定值。此外，还有现成的小型表面贴装封装可用使用这一设计原则，纹波电流IOPP将可与最大输出电流步长要求相比。峰值电感电流(ILPK)采用下列等式计算，其中IOUT为最大输出电流(在整个开关周期内的平均值)：

　　一旦选好了电感，就可以计算出电感器内的ESR和磁芯损耗。使用电感制造商数据手册中给出的ESR值，功率=ESR×ILRMS。ILRMS由下列等式计算所得：

　　其中，IOUT是最大输出电流。

　　在大多数情况下，电感值将随着平均负载电流的变化而发生明显变化，电感ESR也将根据运行状态下元件温度的变化而变化。为达到效率目标，应考虑这两种效应的影响。对于高电流应用，如果效率很关键，则选择ESR较低的电感器尤为重要。

　　3．其它元件的选择

　　数字技术使得设计工程师可以校准传感元件，以适应工艺和温度变化。当整合了内部或外部温度传感器(内部或外部)时，这一校准时可以得到更为准确的电流读数。

　　校准可以在开发测试期间或者在电路板级终测试期间进行。可以根据传感元件的实际测量数据调节多个参数，并将它们存储在器件的非易失性存储器内。这些参数包括传感元件的增益(在如下所述的MOSFET RDSON)、偏移量(布局及传感元件的变化)以及温度系数(对MOSFET RDSON而言，此系数通常约为50%)。有了校准功能，选定的元件就不必因温度变化而不得不采用超安全标准设计，从而避免不必要的功耗和额外费用。

　　把对输出电流的约束条件应用到整个转换器设计中，可以降低MOSFET、输入和输出电容器及电感器等其它元件的要求。在传统模拟实现中，当将RDSON用作感应元件来设定电流限值时，该参数随温度发生变化可能意味着元件要按超过设计要求50％的标准来设计。当温度从25℃上升到125℃时，RDSON将增加50%。

　　除此之外，设计工程师还需要考虑传感元件的工艺偏差，此偏差可能高达30%(图2)。这意味着对于应用在0℃～125℃整个范围的20A系统，电流限值必须设置成平均值38A，这要求使用额定电流为45A的电感和MOSFET。通过采用温度补偿和板上校准，电流限值可能更苛刻，设置点精度优于5%。这样，电流限值将降低到平均22A，可以选择25A电感和MOSFET。所选的元件将更小、成本更低，而且能提供更精确的保护功能。

在考虑到这些要求后，选择IRF6635作为低压侧MOSFET。IRF6636的额定漏电流在70°C温度下为25A，RDSON非常低(在4.5V下为1.8 mΩ)，可以最大程度地降低传导损耗。将两个MOSFET并联可以提高电流，并保持器件的电流额定值(在高压侧也如此)。对高压侧MOSFET选择IRF