为DC/DC转换器选择最优化的转换频率

作者：Richard Nowakowski，Brian King，德州仪器

　　更高的转换频率具有显而易见的优点，但同样存在缺点；设计人员需要深入了解其中的优劣折衷并为设计找到最优点(sweet-spot)。本实践性的文章将为您提供优劣相互比较的考虑因素。

　　具有更高转换频率的直流至直流(DC/DC|0">DC/DC)转换器越来越受欢迎，因其具有更小的输出电容及电感尺寸，以节省板载面积。而另一方面，随处理核心电压的降低（低于1V），对于负载点(point-of-load，POL)电源的要求也将增加，由于占空比的降低，使得更低的电压难于实现更高的频率。

　　众多的电源IC供应商为市场提供了大量的、用于节省板载面积的更高速DC/DC转换器。转换频率为1或2MHz的DC/DC转换器看起来很理想，但除了尺寸及效率之外，还需要对其电源供电系统所受的影响作更深入的了解。下列多个设计示例揭示了当采用更高的转换频率时所具有的优点及不足。

选择应用

　　在此设计并构建了三个不同的电源，以展示对高转换频率的折衷。对于全部三个设计，输入电压均为5V，输出电压为1.8V，输出电流3A。该需求典型的源于诸如DSP、ASIC或FPGA等高性能处理器的供电。为了提升滤波器的设计及预期的性能，所容许的纹波电压仅为20mV，约为输出电压的百分之一，且峰峰值电感电流选择为1A。

　　三个独立的设计分别选择了350、700及1600kHz的频点，将用于比较说明相应的优点及缺点。TPS54317是1.6MHz、低电压、3A同步降压DC/DC转换器，集成了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），在每一示例中均被选作为稳压器。源自德州仪器的TPS54317具有频率可编程以及外部补偿的特性，旨在应用于高密度处理器的负载点供电应用。

选择电感及电容

电感及电容值可依照下列简化的方程进行选择：

方程 1:

V = L x di/dt

移项后： L ≥ Vout x (1-D)/(ΔI x Fs)

上式中： ΔI = 1 A （峰值至峰值），D = 1.8 V/5 V=0.36

方程2:

I = C x dv/dt

移项后：C ≥ 2 x ΔI/(8 x Fs x ΔV)

上式中： ΔV = 20 mV，I = 1 A peak-to-peak

　　方程2假定所采用的电容可忽略串联电阻，该假定对于陶瓷电容是成立的。由于陶瓷电容具有低电阻及小尺寸，因而被选用于上述三个设计。上述方程2通过移项后两项的乘积计算得到电容，该电容值会随直流偏置的减小而降低，但在绝大多数的陶瓷电容数据表中，此效应并未计算在内。

图1中的电路用于评估上述三个设计的性能。

图1：TPS54317参考设计示意图

　　增益/信号调节单元的下一级是模拟滤波器，将抑制使模数(A/D)转换退化的输出频带频率。信号通路中串联的再下一级是模数转换。经过增益、滤波的模拟信号将通过ADC转换得到的数字表述的信号并输送至数字处理器。

　　上面的示意图中未标明数值的元件需在每一设计中做调整。输出滤波器由L1和C2组成。分别用于三个设计的元件值在表1中列出，元件值的选择是基于上述方程的计算结果。

表1：350kHz、700kHz以及 1600 kHz情况下分别选取的电容及电感

　　在此可注意到，所选择的电感的直流阻抗随频率升高而降低，这是由于更少圈数的电感所需的铜导线的长度更短。针对与不同的转换频率，放大器误差补偿元件进行了分别的设计。但补偿元件选取的计算不属于本文所涉及的范围。

最小化导通时间(on-time)

　　数字转换器至数字转换器集成电路(IC)的特点是具有最小化可控导通时间限制，该时间是脉冲宽度调制器(PWM)可实现了最窄的脉冲宽度。在降压转换器中，场效应晶体管(FET)在转换周期内导通的百分比称为占空比，其值等于输出电压与输入电压之比。

　　对于上述示例中的转换器，占空比为0.36(1.8V/5.0V)，TPS54317的最小化导通时间为150ns（最大值），如数据表所示。对于可控脉冲宽度的限制确定了可实现的最小化占空比，可轻松的通过方程3计算得出。一旦最小化占空比确定，则可实现的最低输出电压也可计算得出，如方程4及表2所示。

方程 3:

最小化占空比= 最小化导通时间× 转换频率

方程 4:

最小化输出电压Vout = 最小输入电压Vin ×最小化占空比（仅限于TPS54317的参考电压Vref）

表2：150ns最小化导通时间情况下的最小化输出电压

　　在此示例中，1.8V输出可通过1.6MHz的转换频率产生。然而，如果转换频率为3MHz，则可能的最低输出电压限制为2.3V，且直流转换器还可能省略脉冲。备选的解决方案包括了降低输入电压或降低频率。为了在选定转换频率前确保最小化的可控导通时间的有效，最好事先核实DC/DC转换器的数据表。

脉冲省略模式

当DC/DC转换器无法足够快的跟上门选脉冲时，将会出现脉冲省略，从而无法