選擇一個高頻開關(guān)穩(wěn)壓器時，設(shè)計權(quán)衡

自從20世紀80年代，DC至DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(“開關(guān)調(diào)節(jié)器”)已成為流行的相比線性穩(wěn)壓電池供電的應(yīng)用，因為其固有的更高的效率。這個屬性讓電池持續(xù)時間更長，電路保持涼爽。

隨著時間的推移，制造商都增加在該調(diào)節(jié)器從幾百千​​赫切換到三個或四個兆赫的頻率。在更高的頻率下工作的主要優(yōu)點是，它允許使用更小的外部元件，如​​電感器和電容器，節(jié)省電路板空間和元件成本。

不幸的是，較高頻率的設(shè)備比他們慢切換同行效率較低，迫使工程師權(quán)衡規(guī)模和成本優(yōu)勢，對電池壽命縮短。但是，新一代的高頻電壓調(diào)節(jié)器利用了現(xiàn)代工藝的技術(shù)優(yōu)勢，以提高性能。

設(shè)計基于高頻穩(wěn)壓電源時，本文將詳細介紹在權(quán)衡并介紹了新的高效率芯片的一些例子，從主要的芯片供應(yīng)商。

開關(guān)效率

線性調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)電池電壓與由硅敏感要求簡單而有效的裝置。然而，它們從兩個關(guān)鍵缺點的。第一，效率下降作為輸入和輸出電壓之間的差增大。其次，線性穩(wěn)壓器只能降壓(“降壓”)，而不是步升(“提升”)或反轉(zhuǎn)的電壓。這種故障來提高電壓，可以把未開發(fā)的潛力，在電池時，該設(shè)備不再供電(見技術(shù)專區(qū)的文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點和缺點”)。

這些弱點已經(jīng)看到了上升的開關(guān)穩(wěn)壓器的普及。進入20世紀80年代的主流，開關(guān)穩(wěn)壓器采用一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)元件包含一個或兩個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)配對與一個或兩個電感器和電容器的能量存儲和過濾。

當(dāng)晶體管是上并導(dǎo)通電流，在其電源通路上的電壓降最小。當(dāng)晶體管關(guān)斷，阻塞高電壓，也幾乎沒有電流流過它的功率路徑。因此，該晶體管是接近理想開關(guān)和功耗最小化。

高效率，低功耗和高功率密度(由于它們的小尺寸)是設(shè)計者使用開關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器，特別是在高電流應(yīng)用的主要原因。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器能升壓，降壓和反轉(zhuǎn)電壓。許多制造商提供的模塊化芯片的開關(guān)穩(wěn)壓器的主要元件集成到一個單一的裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，并容易設(shè)計在寬范圍內(nèi)。

這種裝置(輸出功率/輸入功率×100)的效率通常在80%以上，并且可以是高達95%。浪費的功率通常作為熱量耗散。

而工作頻率確定的每單位時間的開關(guān)次數(shù)的數(shù)目，它是PWM信號的占空比(D)，其確定的開關(guān)元件導(dǎo)通的時間的百分比，因此，反過來，輸出電壓(VOUT)從公式VOUT =深x VIN。操作頻率不會但是，顯著影響regulator.¹的設(shè)計和性能

為了滿足各種應(yīng)用需要，廠家供應(yīng)開關(guān)穩(wěn)壓器在整個頻率范圍內(nèi)工作，從100 kHz到4 MHz。在低頻端，例如，凌力爾特公司提供的LT1574。這是一個200千赫電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器適用于9至5 V，5至3.3 V和反相運行，該公司表示，對噪聲敏感的產(chǎn)品是有用的。

定位在該公司的范圍的上端是LTC3601。芯片能夠提供高達1.5的輸出電流的一個電流模式開關(guān)調(diào)節(jié)器。該工作電源電壓范圍為4〜15 V和工作頻率可編程至高達4MHz的，該公司表示能夠使用小型表面貼裝電感器。

在權(quán)衡高開關(guān)頻率

圖1示出了降壓配置中的典型開關(guān)調(diào)節(jié)器。在該電路中，電感器充當(dāng)能量存儲裝置。當(dāng)該晶體管被供電時，從輸入源電流流動時，通過晶體管和電感器，到輸出。磁場在電感積聚，存儲能量。電感兩端的電壓降(即正比于晶體管的占空比)反對(或“蚊」)的輸入電壓的一部分。當(dāng)晶體管關(guān)斷時，電感器反對通過經(jīng)由二極管翻轉(zhuǎn)其電動勢(EMF)并提供給負載本身電流中的變化。

凌力爾特典型的開​​關(guān)穩(wěn)壓器圖片

圖1：在降壓配置典型開關(guān)穩(wěn)壓器。 (凌力爾特公司提供)

類似的事情發(fā)生在一個升壓轉(zhuǎn)換器。具體地，從輸入電流流當(dāng)晶體管被接通。此穿過電感器和晶體管，具有能量被存儲在電感器的磁場。沒有電流通過二極管和負載電流由在電容器中的電荷供給。然后，當(dāng)晶體管截止時，電感反對在當(dāng)前任何壓降通過反轉(zhuǎn)其電動勢，升壓電源電壓和電流。從源通過電感和二極管與該負載電流流動時，以及充電的電容器(參見技術(shù)專區(qū)文章“電感的在完成一個基于模塊電源解作用”)。

盡管輸出電壓不通過開關(guān)頻率直接影響，切換的速率并具有在電源設(shè)計中的顯著效果。在一般情況下，較高的開關(guān)頻率允許使用一個較小的電感器(和輸入和輸出濾波電容器)的。這是因為電感大小由紋波電流在給定的開關(guān)穩(wěn)壓器的規(guī)范所允許的量，主要決定。對于給定的電感，紋波電流隨著開關(guān)頻率的增加。因此，一個逐漸變小的電感器可用于保持紋波電流的相同數(shù)量的開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率的增加 - 減少電源的尺寸和成本。

更高頻率的操作也賦予了更大的帶寬的開關(guān)穩(wěn)壓器，升壓器件的瞬態(tài)響應(yīng)(圖2)。

德州儀器瞬態(tài)響應(yīng)圖片

圖2：更高的工作頻率提高了瞬態(tài)響應(yīng)(以最高2.2 MHz器件，在底部550 kHz器件)。 [德州儀器(TI)提供]²

在一個頻率高達4MHz的開關(guān)的另一個好處是，它使設(shè)計人員能夠避免關(guān)鍵的噪聲敏感頻段，如AM收音機。然而，有一個折衷。例如，電磁干擾(EMI)可以當(dāng)在高開關(guān)頻率下工作是有問題的。 EMI從開關(guān)穩(wěn)壓器是正比于開關(guān)頻率的平方 - 換句話說，如果開關(guān)頻率加倍，所述EMI可以增加四倍。密切關(guān)注印刷電路板(PCB)布局和元件選擇可以減輕EMIproblems²(見技術(shù)專區(qū)的文章“電容的選擇是關(guān)鍵，以良好的電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計”)。

較高的開關(guān)頻率也意味著更大的功率損失，需要更多的電路板空間或散熱片來散熱。開關(guān)損耗的增加以更大的頻率，由于較大數(shù)目的每time.³恒定能量切換事件有些損失是由于開關(guān)調(diào)節(jié)器的MOSFET，這需要一定的時間來進行“接通”或此“關(guān)”。在開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的電壓和電流重疊。圖3示出了一個開關(guān)調(diào)節(jié)器的MOSFET的典型開關(guān)波形。主開關(guān)損失是由于MOSFET的具有電荷(QGD)寄生電容的充電和放電。 MOSFET的開關(guān)損耗(PSW)正比于從公式計算出轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率(FS)：

方程1的圖像

凌力爾特的圖像開關(guān)波形和損失

圖3：典型的開關(guān)波形在降壓穩(wěn)壓器MOSFET的損耗。 (凌力爾特公司提供)[!--empirenews.page--]

雖然較高的開關(guān)頻率允許使用一個較小的電感它也直接在該組分增加的損失。電感AC損耗主要由磁芯產(chǎn)生的。在高頻開關(guān)穩(wěn)壓器的芯材料是通常鐵粉或鐵氧體。鐵粉患有比鐵氧體更大的損失，但在兩種情況下的損失，主要是由于磁滯。

其他AC相關(guān)的損失包括柵極驅(qū)動損失和死區(qū)時間體二極管傳導(dǎo)的損失。的開關(guān)損耗計算通常并不簡單，但它更容易地看到，他們是與開關(guān)頻率成正比。

對于應(yīng)用大于10的負載電流，最降壓開關(guān)穩(wěn)壓器工作在100kHz至2MHz的范圍內(nèi)。例如，德州儀器(TI)TPS53353，一個同步降壓 - 開關(guān)穩(wěn)壓器，可提供高達20 A在1.5至15 V從4.5至25 V輸入，并設(shè)有一個可調(diào)節(jié)的250 kHz至1 MHz的開關(guān)頻率。

為低于10的負載電流，當(dāng)有較少的消耗功率，開關(guān)頻率可增加到3或4兆赫。格言，例如，提供的MAX8560，一個同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，具有4MHz的開關(guān)頻率。該器件可從2.7〜5.5 V的輸入操作，并提供了0.6〜2.5 V電壓高達500 mA的輸出。

在最佳頻率為每款設(shè)計都仔細權(quán)衡尺寸，成本，效率，以及其它性能參數(shù)的結(jié)果。

縮小差距

在調(diào)節(jié)器的實際的開關(guān)損耗取決于拓撲，組件和應(yīng)用程序。不久前，一個同步降壓轉(zhuǎn)換器從12V輸入運行，并產(chǎn)生3.3 V / 10 A輸出可能遭受效率的百分之一的虧損為每個100 kHz的頻率增加。因此，否則類似的設(shè)備，如果一個200 kHz的開關(guān)穩(wěn)壓器有93%的效率，一個500千赫的產(chǎn)品會表現(xiàn)出90%的效率，而2 MHz的開關(guān)穩(wěn)壓器將很難打到75%。

好消息是，電源模塊制造商們最近集中精力提高高頻開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率 - 與一些令人矚目的成果。

的改善主要是由于更低的傳導(dǎo)和在MOSFET的開關(guān)損耗。這些損失已經(jīng)減少了改進的優(yōu)點(FOM)的功率晶體管，從而轉(zhuǎn)化為更低溝道電阻和更少的柵極驅(qū)動電荷的身影。新的設(shè)計方法已經(jīng)產(chǎn)生穩(wěn)壓器設(shè)計與更快的開關(guān)邊緣，進一步降低在MOSFET轉(zhuǎn)換的損失。

這些變化已經(jīng)縮小到中頻設(shè)備高頻開關(guān)穩(wěn)壓器和低之間的差距。 TI，例如，提供了兩個版本的LM26420的。該模塊是一款雙通道2 A，高頻率同步降壓穩(wěn)壓器從3至5.5 V的輸出范圍從0.8輸入范圍2每穩(wěn)壓器的輸出電流運行到4.5 V。該裝置是在550千赫和2.2兆赫版本。

圖4顯示了從5伏的輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V的輸出電壓在2A時，相對于550千赫設(shè)備峰值效率是少為2.2兆赫的頻率選項只有3%的(在87%)。

德州儀器LM26420的圖像在不同的開關(guān)頻率

圖4：TI LM26420的效率在不同的開關(guān)頻率(2.2 MHz器件頂部，底部550 kHz器件)。 [德州儀器(TI)提供]

同樣，Intersil公司提供其ISL8002在1或2兆赫的型號。該ISL8002是一個同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可提供高達連續(xù)輸出電流為2 A從2.7至5.5 V的輸入電源。在1兆赫的開關(guān)頻率，以VIN = 3.3V時，VOUT = 1.5伏，和200 mA的輸出負載，效率94%。在相同的工作條件下，2兆赫版本顯示出92%的效率。

就其本身而言，意法半導(dǎo)體提供2.5 MHz的雙模降壓 - 升壓型開關(guān)與同樣令人印象深刻的效率調(diào)節(jié)器。該STBB2提供輸出電壓為1.2〜4.5 V的輸入電壓范圍為2.4至5.5 V.隨著VIN = 4.5 V，VOUT = 2.9 V和200毫安輸出負載，效率為91%。為了幫助設(shè)計公司還提供了STEVAL-ISA109V2，設(shè)計在STBB2(圖5)的評估，以幫助。

意法半導(dǎo)體STBB2的圖像

圖5：意法半導(dǎo)體STBB2開關(guān)穩(wěn)壓器的評估板。

妥協(xié)少

高頻開關(guān)穩(wěn)壓器吸引設(shè)計工程師，因為它們使更緊湊的設(shè)計，更好的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，以換取這些好處設(shè)計者以前面臨更嚴格的EMI挑戰(zhàn)和效率降低，縮短電池壽命，并增加工作溫度。

然而，由于改善設(shè)計和更好的工藝技術(shù)，當(dāng)代電源模塊已經(jīng)解決了至少一個上述缺陷的。通過仔細選擇，工程師現(xiàn)在可以享受更緊湊的設(shè)計所帶來的好處，而不必遭受10%至15%的效率赤字?，F(xiàn)代的高頻分量是現(xiàn)在只是百分之幾比切換為四分之一的頻率的運行調(diào)節(jié)器的效率較低。