【導讀】在汽車、工業自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等的各種系統中，，將高母線電壓降至較低電壓，從而為 IC 和其他負載供電的需求越來越大。設計者面臨的挑戰是，如何以最高的效率、最小的熱負荷、低成本以及盡可能小的解決方案尺寸來實現這種降壓轉換。
在汽車、工業自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等的各種系統中，，將高母線電壓降至較低電壓，從而為 IC 和其他負載供電的需求越來越大。設計者面臨的挑戰是，如何以最高的效率、最小的熱負荷、低成本以及盡可能小的解決方案尺寸來實現這種降壓轉換。
傳統的異步降壓轉換器提供了一種潛在的低成本解決方案，但其轉換效率較低，不能滿足許多電子系統的需求。設計者可以利用同步 DC/DC 轉換器和同步 DC/DC 控制器來開發緊湊型高效率解決方案。
本文簡要介紹了電子系統對高效 DC/DC 轉換的性能要求，并回顧了異步和同步 DC/DC 轉換器的區別。然后，介紹來自 Diodes, Inc、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的幾種同步 DC/DC 轉換器設計方案，以及評估板和設計指南。這些方案有助于快速啟動高效率解決方案的開發。
為什么需要同步 DC/DC 轉換器？
所有類型電子系統對效率要求的都越來越高，而且復雜性也在不斷提高，這就促使電源系統架構和電源轉換拓撲也在相應地向前發展。隨著越來越多的獨立電壓域能夠支持日益增多的功能，分布式電源架構 (DPA) 在愈來愈多的電子系統中得到了應用。
DPA 并沒有采用多個隔離電源來驅動不同的負載，而是僅包含一個用于產生相對較高配電電圧的隔離式 AC/DC 電源，以及多個較小的降壓轉換器。其中，降壓轉換器用于根據每個負載的要求，將配電電壓將至較低的水平（圖 1）。采用多路降壓轉換器的優勢在于體積小、效率高、性能優。
選擇異步還是同步降壓轉換器時，需要在成本和效率之間進行權衡。如果需要成本最低的解決方案，其可以同時接受較低的效率和較高的熱負載，則異步降壓方案可能是首選。另一方面，如果優先考慮效率并希望采用發熱更少的運行方案，那么成本更高的同步降壓轉換器通常是更優的選擇。
同步與異步降壓轉換器的比較
典型的異步降壓轉換器應用如圖 2 所示。ON Semiconductor 的 LM2595 是一款單片集成電路，包括主電源開關和控制電路。該器件采用內部補償，最大限度地減少了外部元器件的數量并簡化了電源設計。其典型轉換效率為 81%，發熱損耗為占功率的 19%，而同步降壓方案的典型轉換效率約 90%，發熱損耗僅占功率的 10%。這意味著異步降壓轉換器的熱損耗幾乎是同步降壓轉換器的兩倍。因此，使用同步降壓轉換器可以減少發熱，從而大大簡化熱管理難題。
在同步降壓轉換器中，如 STMicroelectronics 推出的 ST1PS01 使用同步 MOSFET 整流取代了輸出整流器（圖 3）。相比異步降壓轉換器中的輸出整流器，同步 MOSFET 的“導通”電阻較低，可降低損耗，從而顯著提高轉換效率。同步 MOSFET 是該 IC 的內部組成部分，不需要外部整流二極管。
使用同步降壓轉換器可以實現更高的效率和更低的熱負荷，但這是有代價的。由于只包含一個功率開關 MOSFET 和一個整流二極管，且不必考慮交叉導通或“射穿”的可能性，也無需使用同步 FET 進行控制，所以異步降壓轉換器控制器要簡單得多，體積也小得多。同步降壓拓撲結構則需要更復雜的驅動器和防交叉導通電路來控制兩個開關（圖 4）。要確保兩個 MOSFET 不會同時導通并發生直接短路，就需要更復雜的電路，進而要求更大和更昂貴的 IC。
雖然脈寬調制控制式同步降壓轉換器在中等或滿載條件下效率較高，但異步降壓轉換器通常在輕載條件下具有更高的轉換效率。然而，這種情況正在逐漸減少，因為最新的同步降壓轉換器實施包括多種工作模式，能讓設計者優化低負載效率。
用于 5 伏和 12 伏配電的同步降壓
針對在消費產品和白色家電中使用 5 伏和 12 伏電源配電的設計者，Diodes, Inc. 推出了 AP62600 器件。這是一款 6 安培 (A) 同步降壓轉換器，輸入范圍寬至 4.5 至 18 伏。該器件集成了一個 36 毫歐 (mΩ) 高壓側功率 MOSFET 和一個 14mΩ 低壓側功率 MOSFET，用于實現高效率降壓式 DC/DC 轉換。
由于 AP62600 使用了恒定準時 (COT) 控制方式，因此只需要極少的外部元器件。該器件還具有快速瞬態響應、易于環路穩定和低輸出電壓紋波等特性。AP62600 針對電磁干擾 (EMI) 抑制進行了優化。該器件使用了專有的柵極驅動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導通和關斷時間的情況下防止開關節點的瞬時振蕩，從而減少了 MOSFET 開關引起的高頻輻射 EMI 噪聲。該器件采用 V-QFN2030-12（A 型）封裝。
配有“電源量好”指示燈，用于提醒用戶注意可能出現的故障情況。可編程軟啟動模式可在上電時控制浪涌電流，使設計者能夠在使用多個 AP62600 為大型集成器件供電時實現電源定序，如現場可編程門陣列 (FPGA)、特定應用 IC (ASIC)、數字信號處理器 (DSP) 和微處理器單元 (MPU)。
AP62600 提供了三種操作模式供設計者選擇，以滿足個性化應用的具體需求（圖 5）。通過脈沖調頻 (PFM) 操作，可以實現所有負載的高效率。其他可用的模式包括可以獲得最佳紋波性能的脈寬調制 (PWM)，以及可避免輕載時產生可聞噪聲的超聲波模式 (USM)。
為幫助設計者入門 AP62600，Diodes, Inc. 還提供 AP62600SJ-EVM 評估板（圖 6）。AP62600SJ-EVM 布局簡單，可以通過測試點接入相應的信號。
24 伏母線的同步降壓
STMicroelectronics 的L6983CQTR 具有 3.5 至 38 伏的輸入范圍，輸出電流高達 3 A。設計者可以將 L6983 用于廣泛的應用，包括 24 伏工業電源系統、24 伏電池供電設備、分散式智能節點、傳感器以及始終啟用型和低噪聲應用。
L6983 基于帶內部補償的峰值電流模式架構，采用 3 mm x 3 mm QFN16 封裝，因此能最大限度地降低設計復雜性和尺寸。L6983 有低消耗模式 (LCM) 和低噪音模式 (LNM) 版本。LCM 通過控制輸出電壓紋波最大限度地提高了輕載效率，使該器件適用于電池供電型應用。LNM 模式能使開關頻率保持恒定并最大限度地降低輸出電壓紋波，以實現輕載運行，從而滿足低噪聲應用要求。L6983 允許在 200 千赫茲 (kHz) 至 2.3 兆赫茲 (MHz) 的范圍內選擇開關頻率，并可選擇擴頻以提高 EMC。
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評估板，幫助設計者探索 L6983 同步單片降壓穩壓器的功能并快速啟動設計。
用于計算和電信設計的同步降壓控制器
ON Semiconductor 的 NCP1034DR2G 是一款高壓 PWM 控制器，針對輸入電壓高達 100 伏的高性能同步降壓 DC/DC 應用。該器件設計用于嵌入式電信、網絡和計算應用中的 48 伏非隔離電源轉換。NCP1034 驅動一對外部 N 溝道 MOSFET，如圖 7 所示。
NCP1036 具有 25kHz 至 500kHz 可編程開關頻率范圍，以及一個用于從外部控制開關頻率的同步引腳。通過提供這兩種頻率控制方式，設計者就能夠為每個特定應用選擇最佳值，并使多個 NCP1034 控制器同步工作。該器件還包括用戶可編程欠壓鎖定和打嗝限流保護。對于低電壓設計，可以使用一個內部微調式 1.25 伏參考電壓來實現更精確地輸出電壓調節。
包括四個欠壓鎖定電路，用于保護設備和系統。三個電路專門用于保護特定功能；兩個用于保護外部高壓側和低壓側驅動器；一個用于保護 IC，防止其在 VCC 低于設定閾值前過早啟動。設計者可以利用外部電阻分壓器對第四個欠壓鎖定電路進行編程：只要 VCC 低于用戶設定的閾值，控制器就保持斷開狀態。
為了幫助設計者開始使用 NCP1034，ON Semiconductor 還提供了 NCP1034BCK5VGEVB 評估板（圖 8）。該評估板的設計提供了多個選項，以滿足各種系統需求。有一個線性穩壓器為 IC 供電；為此，設計者可以通過選擇合適的電阻來確定使用齊納二極管還是高壓晶體管。設計者還可以選擇第二類（電壓模式）補償或第三類（電流模式）補償，陶瓷或電解輸出電容器以及各種輸入電容值。配有兩個針座：一個用于方便地連接外部同步脈沖源，使板卡可以直接連接另一塊 NCP1034 演示板；另一個針座連接 SS/SD 引腳，可以通過連接地來關斷控制器。
結語
在汽車、工業自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等各種系統中，越來越多地需要將高母線電壓降至較低電壓，以便為 IC 和其他負載供電。
如圖所示，設計者可以把目光轉向同步降壓式功率轉換器，以最高的效率、最小的熱負荷、低成本和盡可能小的解決方案尺寸來實現降壓轉換。
（來源：Digi-Key，作者：Jeff Shepard）
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