異步和同步DC/DC 轉(zhuǎn)換器的區(qū)別 不同種同步DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案介紹
發(fā)布日期:2022-01-04
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在汽車、工業(yè)自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等的各種系統(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現(xiàn)這種降壓轉(zhuǎn)換。
本文簡要介紹了電子系統(tǒng)對高效 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)計方案，以及評估板和設(shè)計指南。這些方案有助于快速啟動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)計者就能夠為每個特定應(yīng)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(shè)計，可以使用一個內(nèi)部微調(diào)式 1.25 伏參考電壓來實現(xiàn)更精確地輸出電壓調(diào)節(jié)。
包括四個欠壓鎖定電路，用于保護設(shè)備和系統(tǒng)。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(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動器；一個用于保護 IC，防止其在 VCC 低于設(shè)定閾值前過早啟動。設(shè)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(shè)定的閾值，控制器就保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
為了幫助設(shè)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(shè)計提供了多個選項，以滿足各種系統(tǒng)需求。有一個線性穩(wěn)壓器為 IC 供電；為此，設(shè)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(shè)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(guān)斷控制器。
結(jié)語
在汽車、工業(yè)自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等各種系統(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現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。
選擇異步還是同步降壓轉(zhuǎn)換器時，需要在成本和效率之間進行權(quán)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(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。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)換器可以實現(xiàn)更高的效率和更低的熱負(fù)荷，但這是有代價的。由于只包含一個功率開關(guān) MOSFET 和一個整流二極管，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)動器和防交叉導(dǎo)通電路來控制兩個開關(guān)（圖 4）。要確保兩個 MOSFET 不會同時導(dǎo)通并發(fā)生直接短路，就需要更復(fù)雜的電路，進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，因為最新的同步降壓轉(zhuǎn)換器實施包括多種工作模式，能讓設(shè)計者優(yōu)化低負(fù)載效率。
針對在消費產(chǎn)品和白色家電中使用 5 伏和 12 伏電源配電的設(shè)計者，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 36 毫歐 (mΩ) 高壓側(cè)功率 MOSFET 和一個 14mΩ 低壓側(cè)功率 MOSFET，用于實現(xiàn)高效率降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
由于 AP62600 使用了恒定準(zhǔn)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(tài)響應(yīng)、易于環(huán)路穩(wěn)定和低輸出電壓紋波等特性。AP62600 針對電磁干擾 (EMI) 抑制進行了優(yōu)化。該器件使用了專有的柵極驅(qū)動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時間的情況下防止開關(guān)節(jié)點的瞬時振蕩，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?？删幊誊泦幽Ｊ娇稍谏想姇r控制浪涌電流，使設(shè)計者能夠在使用多個 AP62600 為大型集成器件供電時實現(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)計者選擇，以滿足個性化應(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)，以及可避免輕載時產(chǎn)生可聞噪聲的超聲波模式 (USM)。
為幫助設(shè)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(yīng)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(shè)計者可以將 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、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，以實現(xiàn)輕載運行，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，并可選擇擴頻以提高 EMC。
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評估板，幫助設(shè)計者探索 L6983 同步單片降壓穩(wěn)壓器的功能并快速啟動設(shè)計。
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(yīng)用。該器件設(shè)計用于嵌入式電信、網(wǎng)絡(luò)和計算應(yīng)用中的 48 伏非隔離電源轉(zhuǎn)換。NCP1034 驅(qū)動一對外部 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)換器可以實現(xiàn)更高的效率和更低的熱負(fù)荷，但這是有代價的。由于只包含一個功率開關(guān) MOSFET 和一個整流二極管，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)動器和防交叉導(dǎo)通電路來控制兩個開關(guān)（圖 4）。要確保兩個 MOSFET 不會同時導(dǎo)通并發(fā)生直接短路，就需要更復(fù)雜的電路，進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，因為最新的同步降壓轉(zhuǎn)換器實施包括多種工作模式，能讓設(shè)計者優(yōu)化低負(fù)載效率。
用于 5 伏和 12 伏配電的同步降壓
針對在消費產(chǎn)品和白色家電中使用 5 伏和 12 伏電源配電的設(shè)計者，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 36 毫歐 (mΩ) 高壓側(cè)功率 MOSFET 和一個 14mΩ 低壓側(cè)功率 MOSFET，用于實現(xiàn)高效率降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。
由于 AP62600 使用了恒定準(zhǔn)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(tài)響應(yīng)、易于環(huán)路穩(wěn)定和低輸出電壓紋波等特性。AP62600 針對電磁干擾 (EMI) 抑制進行了優(yōu)化。該器件使用了專有的柵極驅(qū)動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時間的情況下防止開關(guān)節(jié)點的瞬時振蕩，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?？删幊誊泦幽Ｊ娇稍谏想姇r控制浪涌電流，使設(shè)計者能夠在使用多個 AP62600 為大型集成器件供電時實現(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)計者選擇，以滿足個性化應(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)，以及可避免輕載時產(chǎn)生可聞噪聲的超聲波模式 (USM)。
為幫助設(shè)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(yīng)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(shè)計者可以將 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、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，以實現(xiàn)輕載運行，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，并可選擇擴頻以提高 EMC。
STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評估板，幫助設(shè)計者探索 L6983 同步單片降壓穩(wěn)壓器的功能并快速啟動設(shè)計。
用于計算和電信設(shè)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(yīng)用。該器件設(shè)計用于嵌入式電信、網(wǎng)絡(luò)和計算應(yīng)用中的 48 伏非隔離電源轉(zhuǎn)換。NCP1034 驅(qū)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(guān)頻率范圍，以及一個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)計者就能夠為每個特定應(yīng)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(shè)計，可以使用一個內(nèi)部微調(diào)式 1.25 伏參考電壓來實現(xiàn)更精確地輸出電壓調(diào)節(jié)。
包括四個欠壓鎖定電路，用于保護設(shè)備和系統(tǒng)。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(cè)和低壓側(cè)驅(qū)動器；一個用于保護 IC，防止其在 VCC 低于設(shè)定閾值前過早啟動。設(shè)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(shè)定的閾值，控制器就保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
為了幫助設(shè)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(shè)計提供了多個選項，以滿足各種系統(tǒng)需求。有一個線性穩(wěn)壓器為 IC 供電；為此，設(shè)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(shè)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(guān)斷控制器。
結(jié)語
在汽車、工業(yè)自動化、電信、計算機、白色家電和消費電子等各種系統(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現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。
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