為汽車電源選擇正確的高輸出電源的降壓控制器的思考

為電池連接的汽車電源選擇正確的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渫ǔ７浅：?jiǎn)單。對(duì)于高達(dá) ~3.5A 的電流，同步降壓轉(zhuǎn)換器是最佳選擇。具有集成 MOSFET 半橋的降壓轉(zhuǎn)換器需要更少的印刷電路板 (PCB) 空間、更少的外部組件和更低的物料清單成本。同步設(shè)計(jì)有利于提高效率和降低功耗，尤其是在較高電流下。

但是，如果我們需要高于 3.5A 的輸出電流，則降壓轉(zhuǎn)換器不是最佳選擇，因?yàn)闀?huì)增加功率損耗并導(dǎo)致溫度快速升高。集成 MOSFET 半橋與降壓控制邏輯位于同一芯片上。與降壓轉(zhuǎn)換器中的小型集成 FET 相比，外部 MOSFET 更大并且具有更好的技術(shù)特性，例如非常低的導(dǎo)通電阻和柵極電荷。

更高輸出電流的最佳選擇是使用帶有外部 MOSFET 半橋的降壓控制器，以減少上一節(jié)中提到的損耗。選擇與控制器分開的 MOSFET，以便我們可以根據(jù)電源的輸出功率需求調(diào)整它們。功率耗散將廣泛分布在 FET 和控制器上，這意味著每個(gè)器件的溫度更低。借助降壓控制器拓?fù)涞撵`活性，我們可以滿足廣泛的輸出功率需求。

汽車信息娛樂系統(tǒng)等現(xiàn)代應(yīng)用基于非常強(qiáng)大的處理器，例如德州儀器的Jacinto 7 。例如，英特爾 Apollo Lake 處理器的最大輸出功率約為 40W 到 50W。連接在汽車電池上的電源（V IN = 3.5V 至 18V，絕對(duì)最大值 42V 和 V OUT = 3.3V）必須能夠支持 8A 至 12A 之間的輸出電流。大多數(shù)工程師會(huì)選擇降壓控制器來處理高輸出功率要求。

與降壓轉(zhuǎn)換器相比，降壓控制器的一個(gè)缺點(diǎn)是 MOSFET 半橋和外部組件之間的電流環(huán)路明顯較大。更大的外部 FET 具有更低的損耗；封裝的尺寸允許更好的熱連接來散熱，但與降壓轉(zhuǎn)換器中的集成半橋相比，它們要大幾十年。較大的電流環(huán)路會(huì)引起寄生效應(yīng)，從而導(dǎo)致電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴。

降壓控制器拓?fù)涞牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)（尤其是在高輸出電流方面）是分立 FET 是單獨(dú)封裝的，并且具有較大的寄生元件，例如漏極和源極上的串聯(lián)電感器。圖 1 顯示了一個(gè) MOSFET 半橋等效電路，在漏極和源極上有寄生電感。

圖 1：具有寄生電感 L Drain和 L Source的 MOSFET 半橋

分立 FET 寄生電感 L Source和 L Drain對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴影響最大，并決定振鈴頻率。當(dāng)輸出電流增加時(shí)，振鈴會(huì)引起明顯的輻射電磁干擾（EMI）。圖 2 顯示了同步降壓控制器開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿的振鈴。圖 3 是開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿的放大圖。振鈴頻率約為 215MHz，是分立封裝 MOSFET 的典型值。

輻射 EMI，尤其是在 200MHz 左右的范圍內(nèi)，對(duì)于汽車信息娛樂系統(tǒng)中的敏感數(shù)字無線電調(diào)諧器（174MHz 至 230MHz）或電視調(diào)諧器等應(yīng)用來說是不可接受的。

圖 2： 同步降壓控制器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。注意上升沿的振鈴?；陔p N-FET BUK9K17-60E 的橋。

圖 3： 同步降壓控制器開關(guān)節(jié)點(diǎn)上升沿特寫，測(cè)得振鈴頻率約為 215MHz

滿足高輸出功率要求的新型降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/span>

那么在對(duì) EMI 敏感的大功率輸出應(yīng)用中應(yīng)該使用什么樣的電源概念呢？降壓轉(zhuǎn)換器無法處理輸出功率，并且降壓控制器會(huì)隨著輸出電流的增加而導(dǎo)致顯著的輻射 EMI。

一種想法是使用可堆疊到多相系統(tǒng)的單個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。堆疊設(shè)備的數(shù)量取決于最大輸出電流。寄生元件被減少到最低限度，并且功率耗散到多個(gè)設(shè)備中。這個(gè)概念非常靈活，允許我們根據(jù)輸出電流擴(kuò)展或縮小系統(tǒng)。缺點(diǎn)是多個(gè)器件需要較大的 PCB 空間。

要啟用這種拓?fù)洌?/span>我們將需要具有集成負(fù)載共享控制器、相位同步以及理想的移相功能的降壓轉(zhuǎn)換器，例如 TPS54020、LM20154 和 LP8754 器件系列。圖 4 顯示了這種電源概念。

圖 4： 基于多相系統(tǒng)的高輸出功率降壓轉(zhuǎn)換器

總之，我們可以確定帶有外部 FET 的降壓控制器并不是 EMI 敏感的汽車信息娛樂系統(tǒng)中大電流電源的唯一解決方案。在多相配置中使用高度集成的降壓轉(zhuǎn)換器克服了輸出電流限制，并由于集成的 MOSFET 半橋提供了非常好的 EMI 行為。