如何设计面向大降压比应用的同步降压

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1、引言DC-DC降压转换器已在工业领域得到了广泛应用，其中最常用到的拓扑便是降压转换器。半导体技术的发展使得现今的电子设备能在越来越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至IV电压下工作。。传统采用一个二极管的降压转换器的转换效率很低，尤其是在较低的输出电压下，原因是由于二极管通常会消耗不少的功率，其典型正向电压降为0.35V〜0.5V,从而造成了较大比例的功率损耗。同步降压转换器采用MOSFET来代替二极管，该解决方案具有高效率、高输出电流和低输出电压等优势。MOSFET中的电压降与其接通电阻和电流成比例，其典型值为0.IV〜0.3V。因此，功率损耗便可

2、大大下降，从而达到很高的转换效率。另一方面，许多应用要求的输入电压范围很大。例如汽车应用屮要求的输入电压范围比较大，而汽车电池的电压一般为12V或24V,在尖峰情况下可能会达到40V。由于输入电压很高而输出电压很低（或者是输出电流很高），因此需要使用大降压比的转换器。具有大降压比和低输岀电压特性的功率转换器一般采用两级转换。第一级转换是将高输入电压转换为屮间电压，第二级转换则将屮间电压转换为需要的低输出电压。采用两级转换的原因很多。首先，大降压比则意味着需要低占空比。例如，一个24V输入及1.2V输岀的转换器，其要求的占空比为0.05,这对效率和性能而言

3、都非常不利。甚至对于一般的降压转换器而言，这个很低的占空比是无法达到。第二，支持输出电压低于1.2V的设备一般其输入电压不会人于10V到15V。但是，根据Z前所述，在汽车等一些设备中，甚至会出现高达40V的高输入电压。可是，对于能接受20V以上输入电压的设备，其输出电压往往都高于1.2V。因此，对于高输入低输出的电压应用来说，采用两级转换是非常合理。两级转换的不良效率效率是两级转换器所需要关注的一个主要问题。尽管对个别级的转换而言，均可以达到较高的效率，但是整体效率却可能很低。因为整体效率是各转换级效率Z乘积。比如，图1所示为一个可将12V或24V的输入

4、电压转换为5V输出电压的降压转换器的效率曲线。此外，图中同样给出了一个将5V输入电压转换为1.2V输出电压的转换器效率。两个转换器同样在550kHz的频率下运作，并在半负荷下得出约80%的效率。可是，使用在两级转换中的这两个降压转换器的整体效率仅在60%〜70%左右，如图2所示。100*效率19/fnAV0.00.20.40.6输出电潦(A)图1单级的效率曲线1007012Vto1.2V_6050输出电流(A)图2两级转换的整体效率除了效率之外，与单级转换相比(稍后会作介绍)，两级转换要求使用更多的元件并占用更多的板面积。所需的集成电路、电感器和降压电

5、容器数量约为单级转换的两倍。此外，由于需要使用两个电感器，因此需要在两个转换器之间进行精确的同步以降低干扰。因此，两级转换的设计时间较长，而且包括板尺寸、元件成本、生产时间和调试等在内的整体成本也较高。图3LM3103的效率曲线同步稳压器的设计与两级转换相比，宽输入范围和低反馈电压的同步降压转换器具有更高的效率、更小的尺寸和更经济的成本。例如LM3103,它是LM310x系列产品中的一款，属于美国国家半导体的PowcrWisc产品系列。LM3103的输入电压可高达42V,输出电压可低至0.6VO因此，对于要求高降压比的应用来说，LM3103无疑是最佳的解

6、决方案。为了进一步减少元件数量，LM3103还把MOSFET嵌入到内部，并采用一种恒定导通时间控制方法，省略了补偿电路。因此，转换器的设计就简化为对一些元件进行简单调节。下文将详述如何对元件进行调节。图4所示为一个1.2V输出电压的LM3103原理图。图屮的电容CIN和C0UT为降压电容器，CIN3.COUT3则分别用来过滤高频噪声。至于CSS和CBST则用于软启动和自举功能，CVCC和CFB则分别用作内部调节器和帮助反馈输出纹波。设计所需的其他元件如下：*用于输出电压的RFB1和RFB2;*用于工作频率的RON;*与电感器电流纹波相关的L。输出电压由于

7、LM3103的内部参考屯压等于0.6V,输出电压VOUT和由RFB1和RFB2组成的分阻器之关系如下：因为VOUT=1.2V,我们可选择RFB2=10k?,那么RFB1可通过下式进行计算:10k£20.6=10k£2工作频率电阻器RON用于决定转换器的导通时间，而该导通时间是与工作频率fSW成直接关系，并在LM3103中被编程成高至1MHz。一旦fSW被确定，那RON便可通过下列算式计算出来：%UTS.SxlO"11xfsw在图4中，fSW设定为550kHz,因此讣算岀的RON等于26.3k?。图41.2V输出的LM3103原理图电感器电流纹波LM310

8、3需要约0.3A的电感器电流纹波。电感器的电流纹波与输入电压、输出电压以及工作频