高频率、高输入DC/DC转换器设计实例

表4列出了三种设计要求的总电路板面积，以及电容和电感的焊盘面积。电容或者电感的建议焊盘面积，稍稍大于单个组件本身，且三种设计举例均使用了该面积。每个组件占用的面积相加(其包括IC、滤波器以及所有其它小型电阻器和电容的焊盘尺寸)，然后将得到的结果乘以2倍(考虑到组件的间距)，便得到总面积。100-kHz和750-kHz设计之间存在近250 mm2的总面积节省，从而使滤波器体积缩小50%，而板空间占用减少55%。但是，存在收益递减规律，因为电容和电感值无法减少至零!换句话说，不断推高频率并不能够一直减小总尺寸，因为你无法总是能够在市场上买到这些尺寸适合且批量生产的电感和电容。注意，33-µH和15-µH电感占用相同的面积。存在这种可能性，是因为33-µH电感的高度为3.5 mm，而15-µH电感仅高2.4 mm。我们想通过这两种电感来说明的观点是：电感与体积成正比例关系。

表 4 组件尺寸和总面积要求

图 3 100kHz、300 kHz和750 kHz 的波特图

瞬态响应

瞬态响应是电源性能级别的一个较好指标。我们利用每种电源的波特图来表明高开关频率的对比情况(参见图3)。如图所示，每个电源的相位裕度在45°和55°之间，其表明瞬态响应得到较好的抑制。交叉频率约为开关频率的1/8。使用快速开关DC/DC转换器时，设计人员应确保电源IC误差放大器具有足够的带宽来支持高交叉频率。TPS54160误差放大器的单位增益频宽一般为2.7 MHz。表5显示了实际瞬态响应时间以及电压峰值过冲的相关值。开关频率越高，过冲值便越是更低，原因是更宽的带宽。

表 5 瞬态响应

表 6 小占空比时抖动与“导通”时间之比

抖动考虑

高转换比和更高频率时，会存在噪声问题。当选择某个高开关频率时，设计人员应考虑抖动和DC/DC转换器的最小“导通”时间。当占空比较小时，抖动噪声便为开关脉冲的更大百分比。表6显示了48-V到5-V转换比时，抖动与“导通”时间之比。我们假设，在该相位节点上存在0.5-V二极管压降和20-ns抖动。

结论

设计高频开关转换器时，存在许多折中考虑。本文介绍的一些优点包括更小的尺寸、更快的瞬态响应，以及更小的电压过冲/欠冲。获得这些优点的代价是效率低和散热多。但是，在挑战性能极限的过程中同样也存在许多陷阱，例如：脉冲跳跃和噪声问题。在为高频应用选择一种宽输入电压DC/DC转换器以前，我们应该首先查看制造厂商提供的数据表，以了解一些重要的规范，例如：最小“导通”时间、误差放大器的增益带宽、FET电阻以及FET开关损耗。在这些规范下运行良好的IC价格昂贵，但却对得起它的价格;在设计人员担心如何处理某个棘手的设计问题时，其更加易于使用。