PDF《高频、高输入电压 DC/DC 转换器设计挑战》

1 MHz, 则最低可能输出电压被限制为约 6V;

否则, DC/DC 转换器会跳过脉冲.替代方法是降低输入电压或者频率.在选择某个开关频率以 前,你最好是先查看 DC/DC 转换器数据表,了解保证最小可控 导通 时间. 脉冲跳跃 DC/DC 转换器无法足够快速地清除门驱动脉冲来维持理想占空比时,便会出现 脉冲跳跃. 电源会尝试调节输出电压, 但由于距离更远的脉冲, 纹波电压会增加. 由于存在脉冲跳跃,输出纹波会呈现出分谐波成分,其可能出现噪声问题.限流 Texas Instruments, Incorporated ZHCT130 Page

3 电路也可能不再正常工作,因为 IC 可能不响应大电流峰值.一些情况下,如果 控制器不正常工作,控制环路便可能会不稳定. 效率和功耗 DC/DC 转换器的效率,是进行电源设计时需要考虑的最重要属性之一.低效率 会转换成高功耗,必须要在印刷电路板(PCB)上使用单独的散热器或者更多的 铜, 才能处理这些功耗. 功耗也对电源上游器件提出了更高的要求. 如表

3 所示, 功耗共有几个组成部分. 三个例子的重要损耗组成部分,来自于 FET 驱动损耗、FET 开关损耗和电感损 耗.FET 电阻和 IC 损耗是一致的,因为所有三个设计中都使用了相同的 IC.由 于所有例子中都选择了低 ESR 的陶瓷电容,因此电容损耗可以忽略不计.为了 表明高频开关的影响,我们对每个例子的效率都进行了测量,并将其显示在图

2 中. 该图清楚地表明, 效率随开关频率增加而下降. 若想提高所有频率下的效率, 需要寻找到一种全负载状态下低漏到源 导通 电阻、 低门电荷或者低静态电流规 范的 DC/DC 转换器;

或者寻找到一些具有更低等效电阻的电容和电感. 表1三个举例电源设计的电容和电感选择 表2130-ns 最小 导通 时间的最小输出电压 Texas Instruments, Incorporated ZHCT130 Page

4 表3功耗组成部分 图2三个举例频率下 TPS54160 的效率 组件尺寸 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 Texas Instruments, Incorporated ZHCT130 Page

5 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-?H 和15-?H 电感占用相同的面积.存在这种可能性,是因为 33-?H 电 感的高度为 3.5 mm,而15-?H 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3100kHz、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. Texas Instruments, Incorporated ZHCT130 Page