Differences between asynchronous and synchronous DC / DC converters introduction to different design schemes of synchronous DC / DC Converters
Time:2022-01-04
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在汽車、工業(yè)自動(dòng)化、電信、計(jì)算機(jī)、白色家電和消費(fèi)電子等的各種系統(tǒng)中，，將高母線電壓降至較低電壓，從而為 IC 和其他負(fù)載供電的需求越來越大。設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是，如何以最高的效率、最小的熱負(fù)荷、低成本以及盡可能小的解決方案尺寸來實(shí)現(xiàn)這種降壓轉(zhuǎn)換。
本文簡要介紹了電子系統(tǒng)對(duì)高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換的性能要求，并回顧了異步和同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的區(qū)別。然后，介紹來自 Diodes, Inc、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的幾種同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案，以及評(píng)估板和設(shè)計(jì)指南。這些方案有助于快速啟動(dòng)高效率解決方案的開發(fā)。
為什么需要同步 DC/DC 轉(zhuǎn)換器？
所有類型電子系統(tǒng)對(duì)效率要求的都越來越高，而且復(fù)雜性也在不斷提高，這就促使電源系統(tǒng)架構(gòu)和電源轉(zhuǎn)換拓?fù)湟苍谙鄳?yīng)地向前發(fā)展。隨著越來越多的獨(dú)立電壓域能夠支持日益增多的功能，分布式電源架構(gòu) (DPA) 在愈來愈多的電子系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
同步與異步降壓轉(zhuǎn)換器的比較
NCP1036 具有 25kHz 至 500kHz 可編程開關(guān)頻率范圍，以及一個(gè)用于從外部控制開關(guān)頻率的同步引腳。通過提供這兩種頻率控制方式，設(shè)計(jì)者就能夠?yàn)槊總€(gè)特定應(yīng)用選擇最佳值，并使多個(gè) 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(hù)。對(duì)于低電壓設(shè)計(jì)，可以使用一個(gè)內(nèi)部微調(diào)式 1.25 伏參考電壓來實(shí)現(xiàn)更精確地輸出電壓調(diào)節(jié)。
包括四個(gè)欠壓鎖定電路，用于保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)。三個(gè)電路專門用于保護(hù)特定功能；兩個(gè)用于保護(hù)外部高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器；一個(gè)用于保護(hù) IC，防止其在 VCC 低于設(shè)定閾值前過早啟動(dòng)。設(shè)計(jì)者可以利用外部電阻分壓器對(duì)第四個(gè)欠壓鎖定電路進(jìn)行編程：只要 VCC 低于用戶設(shè)定的閾值，控制器就保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
為了幫助設(shè)計(jì)者開始使用 NCP1034，ON Semiconductor 還提供了 NCP1034BCK5VGEVB 評(píng)估板（圖 8）。該評(píng)估板的設(shè)計(jì)提供了多個(gè)選項(xiàng)，以滿足各種系統(tǒng)需求。有一個(gè)線性穩(wěn)壓器為 IC 供電；為此，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者還可以選擇第二類（電壓模式）補(bǔ)償或第三類（電流模式）補(bǔ)償，陶瓷或電解輸出電容器以及各種輸入電容值。配有兩個(gè)針座：一個(gè)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(gè)針座連接 SS/SD 引腳，可以通過連接地來關(guān)斷控制器。
結(jié)語
在汽車、工業(yè)自動(dòng)化、電信、計(jì)算機(jī)、白色家電和消費(fèi)電子等各種系統(tǒng)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(fù)載供電。
如圖所示，設(shè)計(jì)者可以把目光轉(zhuǎn)向同步降壓式功率轉(zhuǎn)換器，以最高的效率、最小的熱負(fù)荷、低成本和盡可能小的解決方案尺寸來實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。
選擇異步還是同步降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要在成本和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。如果需要成本最低的解決方案，其可以同時(shí)接受較低的效率和較高的熱負(fù)載，則異步降壓方案可能是首選。另一方面，如果優(yōu)先考慮效率并希望采用發(fā)熱更少的運(yùn)行方案，那么成本更高的同步降壓轉(zhuǎn)換器通常是更優(yōu)的選擇。
同步與異步降壓轉(zhuǎn)換器的比較
典型的異步降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(guān)和控制電路。該器件采用內(nèi)部補(bǔ)償，最大限度地減少了外部元器件的數(shù)量并簡化了電源設(shè)計(jì)。其典型轉(zhuǎn)換效率為 81%，發(fā)熱損耗為占功率的 19%，而同步降壓方案的典型轉(zhuǎn)換效率約 90%，發(fā)熱損耗僅占功率的 10%。這意味著異步降壓轉(zhuǎn)換器的熱損耗幾乎是同步降壓轉(zhuǎn)換器的兩倍。因此，使用同步降壓轉(zhuǎn)換器可以減少發(fā)熱，從而大大簡化熱管理難題。
在同步降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中的輸出整流器，同步 MOSFET 的“導(dǎo)通”電阻較低，可降低損耗，從而顯著提高轉(zhuǎn)換效率。同步 MOSFET 是該 IC 的內(nèi)部組成部分，不需要外部整流二極管。
使用同步降壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的熱負(fù)荷，但這是有代價(jià)的。由于只包含一個(gè)功率開關(guān) MOSFET 和一個(gè)整流二極管，且不必考慮交叉導(dǎo)通或“射穿”的可能性，也無需使用同步 FET 進(jìn)行控制，所以異步降壓轉(zhuǎn)換器控制器要簡單得多，體積也小得多。同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器和防交叉導(dǎo)通電路來控制兩個(gè)開關(guān)（圖 4）。要確保兩個(gè) MOSFET 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通并發(fā)生直接短路，就需要更復(fù)雜的電路，進(jìn)而要求更大和更昂貴的 IC。
雖然脈寬調(diào)制控制式同步降壓轉(zhuǎn)換器在中等或滿載條件下效率較高，但異步降壓轉(zhuǎn)換器通常在輕載條件下具有更高的轉(zhuǎn)換效率。然而，這種情況正在逐漸減少，因?yàn)樽钚碌耐浇祲恨D(zhuǎn)換器實(shí)施包括多種工作模式，能讓設(shè)計(jì)者優(yōu)化低負(fù)載效率。
針對(duì)在消費(fèi)產(chǎn)品和白色家電中使用 5 伏和 12 伏電源配電的設(shè)計(jì)者，Diodes, Inc. 推出了 AP62600 器件。這是一款 6 安培 (A) 同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入范圍寬至 4.5 至 18 伏。該器件集成了一個(gè) 36 毫歐 (mΩ) 高壓側(cè)功率 MOSFET 和一個(gè) 14mΩ 低壓側(cè)功率 MOSFET，用于實(shí)現(xiàn)高效率降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
由于 AP62600 使用了恒定準(zhǔn)時(shí) (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(tài)響應(yīng)、易于環(huán)路穩(wěn)定和低輸出電壓紋波等特性。AP62600 針對(duì)電磁干擾 (EMI) 抑制進(jìn)行了優(yōu)化。該器件使用了專有的柵極驅(qū)動(dòng)器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的情況下防止開關(guān)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)振蕩，從而減少了 MOSFET 開關(guān)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(xiàn)的故障情況?？删幊誊泦?dòng)模式可在上電時(shí)控制浪涌電流，使設(shè)計(jì)者能夠在使用多個(gè) AP62600 為大型集成器件供電時(shí)實(shí)現(xiàn)電源定序，如現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、特定應(yīng)用 IC (ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和微處理器單元 (MPU)。
AP62600 提供了三種操作模式供設(shè)計(jì)者選擇，以滿足個(gè)性化應(yīng)用的具體需求（圖 5）。通過脈沖調(diào)頻 (PFM) 操作，可以實(shí)現(xiàn)所有負(fù)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(diào)制 (PWM)，以及可避免輕載時(shí)產(chǎn)生可聞噪聲的超聲波模式 (USM)。
為幫助設(shè)計(jì)者入門 AP62600，Diodes, Inc. 還提供 AP62600SJ-EVM 評(píng)估板（圖 6）。AP62600SJ-EVM 布局簡單，可以通過測試點(diǎn)接入相應(yīng)的信號(hào)。
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(dá) 3 A。設(shè)計(jì)者可以將 L6983 用于廣泛的應(yīng)用，包括 24 伏工業(yè)電源系統(tǒng)、24 伏電池供電設(shè)備、分散式智能節(jié)點(diǎn)、傳感器以及始終啟用型和低噪聲應(yīng)用。
L6983 基于帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ郊軜?gòu)，采用 3 mm x 3 mm QFN16 封裝，因此能最大限度地降低設(shè)計(jì)復(fù)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(yīng)用。LNM 模式能使開關(guān)頻率保持恒定并最大限度地降低輸出電壓紋波，以實(shí)現(xiàn)輕載運(yùn)行，從而滿足低噪聲應(yīng)用要求。L6983 允許在 200 千赫茲 (kHz) 至 2.3 兆赫茲 (MHz) 的范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率，并可選擇擴(kuò)頻以提高 EMC。
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評(píng)估板，幫助設(shè)計(jì)者探索 L6983 同步單片降壓穩(wěn)壓器的功能并快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。
ON Semiconductor 的 NCP1034DR2G 是一款高壓 PWM 控制器，針對(duì)輸入電壓高達(dá) 100 伏的高性能同步降壓 DC/DC 應(yīng)用。該器件設(shè)計(jì)用于嵌入式電信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算應(yīng)用中的 48 伏非隔離電源轉(zhuǎn)換。NCP1034 驅(qū)動(dòng)一對(duì)外部 N 溝道 MOSFET，如圖 7 所示。
在同步降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中的輸出整流器，同步 MOSFET 的“導(dǎo)通”電阻較低，可降低損耗，從而顯著提高轉(zhuǎn)換效率。同步 MOSFET 是該 IC 的內(nèi)部組成部分，不需要外部整流二極管。
使用同步降壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更低的熱負(fù)荷，但這是有代價(jià)的。由于只包含一個(gè)功率開關(guān) MOSFET 和一個(gè)整流二極管，且不必考慮交叉導(dǎo)通或“射穿”的可能性，也無需使用同步 FET 進(jìn)行控制，所以異步降壓轉(zhuǎn)換器控制器要簡單得多，體積也小得多。同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器和防交叉導(dǎo)通電路來控制兩個(gè)開關(guān)（圖 4）。要確保兩個(gè) MOSFET 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通并發(fā)生直接短路，就需要更復(fù)雜的電路，進(jìn)而要求更大和更昂貴的 IC。
雖然脈寬調(diào)制控制式同步降壓轉(zhuǎn)換器在中等或滿載條件下效率較高，但異步降壓轉(zhuǎn)換器通常在輕載條件下具有更高的轉(zhuǎn)換效率。然而，這種情況正在逐漸減少，因?yàn)樽钚碌耐浇祲恨D(zhuǎn)換器實(shí)施包括多種工作模式，能讓設(shè)計(jì)者優(yōu)化低負(fù)載效率。
用于 5 伏和 12 伏配電的同步降壓
針對(duì)在消費(fèi)產(chǎn)品和白色家電中使用 5 伏和 12 伏電源配電的設(shè)計(jì)者，Diodes, Inc. 推出了 AP62600 器件。這是一款 6 安培 (A) 同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入范圍寬至 4.5 至 18 伏。該器件集成了一個(gè) 36 毫歐 (mΩ) 高壓側(cè)功率 MOSFET 和一個(gè) 14mΩ 低壓側(cè)功率 MOSFET，用于實(shí)現(xiàn)高效率降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
由于 AP62600 使用了恒定準(zhǔn)時(shí) (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(tài)響應(yīng)、易于環(huán)路穩(wěn)定和低輸出電壓紋波等特性。AP62600 針對(duì)電磁干擾 (EMI) 抑制進(jìn)行了優(yōu)化。該器件使用了專有的柵極驅(qū)動(dòng)器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的情況下防止開關(guān)節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)振蕩，從而減少了 MOSFET 開關(guān)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(xiàn)的故障情況?？删幊誊泦?dòng)模式可在上電時(shí)控制浪涌電流，使設(shè)計(jì)者能夠在使用多個(gè) AP62600 為大型集成器件供電時(shí)實(shí)現(xiàn)電源定序，如現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、特定應(yīng)用 IC (ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 和微處理器單元 (MPU)。
AP62600 提供了三種操作模式供設(shè)計(jì)者選擇，以滿足個(gè)性化應(yīng)用的具體需求（圖 5）。通過脈沖調(diào)頻 (PFM) 操作，可以實(shí)現(xiàn)所有負(fù)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(diào)制 (PWM)，以及可避免輕載時(shí)產(chǎn)生可聞噪聲的超聲波模式 (USM)。
為幫助設(shè)計(jì)者入門 AP62600，Diodes, Inc. 還提供 AP62600SJ-EVM 評(píng)估板（圖 6）。AP62600SJ-EVM 布局簡單，可以通過測試點(diǎn)接入相應(yīng)的信號(hào)。
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(dá) 3 A。設(shè)計(jì)者可以將 L6983 用于廣泛的應(yīng)用，包括 24 伏工業(yè)電源系統(tǒng)、24 伏電池供電設(shè)備、分散式智能節(jié)點(diǎn)、傳感器以及始終啟用型和低噪聲應(yīng)用。
L6983 基于帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ郊軜?gòu)，采用 3 mm x 3 mm QFN16 封裝，因此能最大限度地降低設(shè)計(jì)復(fù)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(yīng)用。LNM 模式能使開關(guān)頻率保持恒定并最大限度地降低輸出電壓紋波，以實(shí)現(xiàn)輕載運(yùn)行，從而滿足低噪聲應(yīng)用要求。L6983 允許在 200 千赫茲 (kHz) 至 2.3 兆赫茲 (MHz) 的范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率，并可選擇擴(kuò)頻以提高 EMC。
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評(píng)估板，幫助設(shè)計(jì)者探索 L6983 同步單片降壓穩(wěn)壓器的功能并快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。
用于計(jì)算和電信設(shè)計(jì)的同步降壓控制器
ON Semiconductor 的 NCP1034DR2G 是一款高壓 PWM 控制器，針對(duì)輸入電壓高達(dá) 100 伏的高性能同步降壓 DC/DC 應(yīng)用。該器件設(shè)計(jì)用于嵌入式電信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算應(yīng)用中的 48 伏非隔離電源轉(zhuǎn)換。NCP1034 驅(qū)動(dòng)一對(duì)外部 N 溝道 MOSFET，如圖 7 所示。
NCP1036 具有 25kHz 至 500kHz 可編程開關(guān)頻率范圍，以及一個(gè)用于從外部控制開關(guān)頻率的同步引腳。通過提供這兩種頻率控制方式，設(shè)計(jì)者就能夠?yàn)槊總€(gè)特定應(yīng)用選擇最佳值，并使多個(gè) 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(hù)。對(duì)于低電壓設(shè)計(jì)，可以使用一個(gè)內(nèi)部微調(diào)式 1.25 伏參考電壓來實(shí)現(xiàn)更精確地輸出電壓調(diào)節(jié)。
包括四個(gè)欠壓鎖定電路，用于保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)。三個(gè)電路專門用于保護(hù)特定功能；兩個(gè)用于保護(hù)外部高壓側(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器；一個(gè)用于保護(hù) IC，防止其在 VCC 低于設(shè)定閾值前過早啟動(dòng)。設(shè)計(jì)者可以利用外部電阻分壓器對(duì)第四個(gè)欠壓鎖定電路進(jìn)行編程：只要 VCC 低于用戶設(shè)定的閾值，控制器就保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
為了幫助設(shè)計(jì)者開始使用 NCP1034，ON Semiconductor 還提供了 NCP1034BCK5VGEVB 評(píng)估板（圖 8）。該評(píng)估板的設(shè)計(jì)提供了多個(gè)選項(xiàng)，以滿足各種系統(tǒng)需求。有一個(gè)線性穩(wěn)壓器為 IC 供電；為此，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者還可以選擇第二類（電壓模式）補(bǔ)償或第三類（電流模式）補(bǔ)償，陶瓷或電解輸出電容器以及各種輸入電容值。配有兩個(gè)針座：一個(gè)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(gè)針座連接 SS/SD 引腳，可以通過連接地來關(guān)斷控制器。
結(jié)語
在汽車、工業(yè)自動(dòng)化、電信、計(jì)算機(jī)、白色家電和消費(fèi)電子等各種系統(tǒng)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(fù)載供電。
如圖所示，設(shè)計(jì)者可以把目光轉(zhuǎn)向同步降壓式功率轉(zhuǎn)換器，以最高的效率、最小的熱負(fù)荷、低成本和盡可能小的解決方案尺寸來實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。
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