PDF《高频、高输入电压 DC/DC 转换器设计挑战》

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1 高频、高输入电压 DC/DC 转换器设计挑战 作者: Richard Nowakowski, 德州仪器 (TI) 电源管理产品市场营销人员和 Brian King,TI 科技委员会应用工程师 DC/DC 转换器的设计频率越来越快,目的是减小输出电容和电感的尺寸,以节 省电路板空间.

正因如此,现在市场上出现越来越多工作在高输入电压下的 DC/DC 转换器,其可提供线压瞬态保护,从而使更快频率下难以达到更低的电 压, 因为占空比更低. 许多电源集成电路制造厂商 (IC) 正在积极推销高频 DC/DC 转换器,声称可以减少电路板空间占用.工作在 1MHz 或者 2MHz 下的 DC/DC 转换器似乎是一个好主意, 但开关频率对电源系统产生的影响远不止体积和效率 两方面.本文介绍了几个设计实例,说明在高频下开关存在的一些好处和挑战. 应用选择 为了说明使用高开关频率的权衡过程,我们设计了三个独立电源,其工作频率分 别为

100、300 和750 kHz.所有这三种设计,输入电压均为 48V,输出电压均 为5V,而输出电流均为 1A.这些要求常用于为一个 5-V 逻辑 USB,或者为其 它DC/DC 转换器使用的中频通用 5-V 总线供电,例如:低压降稳压器等.若想 建立一些设计限制,所选允许纹波需为 50mV,其为输出电压的约 1%;

同时选 择使用 0.5 A 的峰至峰电感电流.德州仪器 TPS54160 是一种集成 MOSFET 的2.5-MHz、60-V、1.5-A 降压 DC/DC 转换器,用作所有设计的稳压器.TPS54160 特有外部补偿和快速可编程频率,适用于一些高输入电压的工业应用. 电感和电容选择 根据下列四个简化公式,选择每种情况的电感和电容: 电感选择 (1a) 可重写为: (1b) 其中,D(占空比)=5 V/48 V=0.104,且I = 0.5 A 峰至峰. 电容选择 I= C x dv/dt (2a) 可重写为: (2b) 其中,I = 0.5 A 峰至峰,且V=50 mV. 就方程式 2b 而言,我们假设所选电容的等效串联电阻(ESR)忽略不计,陶瓷 电容便是如此.我们选择陶瓷电容,用于所有三种设计,原因是其低电阻和小尺 寸.方程式 2b 分子的乘数

2 表明 DC 偏压相关电容下降情况,原因是大多数陶 Texas Instruments, Incorporated ZHCT130 Page

2 瓷电容的数据表中都没有说明这一效应. 图1TPS54160 参考示意图 图1所示电路用于评估实验台上每种设计的性能.示意图中没有值的一些组件, 为设计中修改了的组件.输出滤波器由 L1 和C2 组成.所有三种设计的组件值 都列举在表

1 中,这些值的选择是基于方程式 1a 到2b 的结果.注意,每个电感 的DC 电阻随频率增加而减小.这是因为较少的匝数所需的铜长度更短.我们单 独为每个开关频率设计了误差放大器补偿组件.选择补偿值的计算方法,超出了 本文讨论的范围. 最小 导通 时间 最小可控 导通 时间限制是 DC/DC 转换器 IC 的一个特点, 其为脉宽调制 (PWM) 电路的最窄可达脉宽.在降压转换器中,开关周期期间功率 MOSFET 导通的时 间百分比被称作占空比,其等于输出电压与输入电压的比.使用 TPS54160 转换 器时,占空比为 0.104(4 V/48 V) ,而数据表中列出的最小 导通 时间为

130 ns. 可控脉宽限制产生一个最小可达占空比,而用最小 导通 时间乘以开关频率,我 们可以轻松地计算出该占空比的大小.一旦知道了最小占空比,利用 VIN 乘以 最小占空比,我们便可以计算出最低可达输出电压.最低输出电压同样也受转换 器基准电压的限制,使用 TPS54160 时其为 0.8V. 本例中,我们可以通过 750-kHz 开关频率来产生一个 5-V 输出电压(参见表 2) . 但是, 如果该频率为