选择高频开关稳压器时的设计权衡

　　自上世纪80年代以来，DC直流开关电压转换器(“开关电源”)已成为流行的电池供电的应用由于其固有的高的效率比线性稳压器。此属性允许电池寿命更长和电路保持凉爽。

　　随着时间的推移，厂商增加了频率的调节开关从几百千赫到三或四兆赫。在更高的频率运行的关键好处是，它允许使用更小的外部元件，如电感器和电容器，节省电路板空间和元件成本。

　　不幸的是，高频率的设备比同行慢的转换效率低，迫使工程师权衡规模和成本优势对电池寿命缩短。然而，新一代的高频电压调节器利用现代工艺技术提高性能。

　　本文仔细权衡当设计一个基于高频稳压电源，介绍了一些新的高效的芯片的例子，主要芯片供应商。

　　开关效率

　　线性稳压器是简单而有效的装置来调节电池电压到所需的敏感硅。然而，他们受到来自两个关键缺点。第一，效率下降的差异之间的输入和输出电压的增加。第二，线性稳压器只能降压(“巴克”)而不是升压(提高)或电压反相。未能提升电压可以把潜在的电池时可不再是动力(见文章“理解高新区的优势和劣势的线性调节器”)。

　　这些缺点在开关稳压器的崛起。在上世纪80年代进入主流，开关稳压器采用脉冲宽度调制(PWM)开关包括一个或两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)元素搭配一个或两个电感器和电容器储能滤波。

　　当晶体管和传导电流，在电源电压降最小路径。当晶体管截止时，阻断电压高，几乎没有电流通过的路径。因此，晶体管是接近理想开关功耗最小化。

　　高效率，低功耗，高功率密度(因为他们的小尺寸)是设计人员使用开关稳压器取代线性稳压器的主要原因，特别是在高电流应用。此外，开关稳压器能够升压，降压，和反向电压。许多制造商提供模块化的芯片，集成开关调节器的主要元件为一个单一的设备，具有结构紧凑、可靠的范围广，易于设计。

　　这种装置的效率(输出功率/输入功率×100)通常是80%以上，可高达95%。浪费电力是典型的热量散失。

　　当工作频率确定开关的每单位时间的周期数，它的占空比(D)的PWM信号决定的时间的百分比，开关元件的行为，因此，反过来，输出电压(Vout)从公式D×VIN VOUT =。操作的频率，然而，显着影响的调节器的设计和性能。¹

　　为了适应各种应用，厂家供应开关稳压器工作在一个范围内的频率从100 kHz到4 MHz。在低频端，例如，线性技术供应1574。这是一个200 kHz的电流模式开关调节器，适合9至5 V，3.3 V和5反相操作，该公司表示，对噪声敏感的产品是有用的。

　　位于该公司范围的顶端是ltc3601。该芯片是一个电流模式开关可提供高达1.5的输出电流调节器。工作电源电压范围是从4到15 V，工作频率可高达4 MHz，该公司说，使用小型表面贴装电感器的使用。

　　高开关频率的取舍

　　图1显示了降压配置中典型的开关稳压器。在这个电路中，感应器充当能量储存装置。当晶体管供电时，电流从输入源流过晶体管和电感器，输出。电感中的磁场积聚，储存能量。电感器两端的电压降(与晶体管的占空比成正比)与输入电压的一部分相反(或“雄鹿”)。当晶体管断开时，电感器通过改变其电动势(EMF)来反对变化，并通过二极管向负载本身提供电流。

　　线性技术典型开关稳压器的图像

　　图1：降压配置的典型开关稳压器。(利用线性技术)

　　类似的事情发生在升压转换器。具体来说，当晶体管接通时，电流从输入端流过。通过电感和晶体管，能量被存储在感应器的磁场中。二极管中没有电流，负载电流由电容器中的电荷提供。然后，当晶体管断开时，电感器通过反转它的电势，反对电流的任何下降，从而提高源电压和电流。电流从电源通过电感和二极管的负载，以及充电的电容器(见高新区第“电感的作用，完成电源模块为基础的解决方案”)。

　　虽然输出电压不受开关频率的直接影响，但开关速度对电源设计有很大影响。一般来说，较高的开关频率允许使用较小的电感器(和输入和输出滤波电容器)。这是因为电感的大小主要取决于在给定的开关调节器中允许的纹波电流的数量。对于一个给定的电感，纹波电流随着开关频率的增加而减小。因此，随着开关调节器频率的增加，一个逐渐缩小的电感器可以用来维持相同的纹波电流——减小电源的尺寸和成本。

　　更高频率的操作也使开关调节器具有更大的带宽，提高了器件的瞬态响应(图2)。

　　德克萨斯仪器瞬态响应图像

　　图2：更高频率的操作提高了瞬态响应(2.2兆赫的设备在顶部，550千赫的底部设备)

　　在高达4兆赫的频率切换的另一个好处是，它使设计人员能够避免关键的噪声敏感频段，如调幅收音机。然而，这是一种权衡。例如，在高开关频率工作时，电磁干扰(EMI)可能会出现问题。开关调节器的电磁干扰与开关频率的平方成正比，换句话说，如果开关频率加倍，电磁干扰就可以增加四倍。关注印刷电路板(PCB)设计和元件的选择可以减轻EMI问题²(见高新区的文章“电容器的选择是关键，良好的电压调节器的设计”)。

　　更高的开关频率也意味着更大的功率损耗，要求更多的电路板空间或散热片散热。更大的频率的恒定能量交换事件每次数大开关损耗的增加。³这些损失是由于开关稳压器的MOSFET，可以在有限的时间内将“上”或“下”。这会产生电压和电流的开关瞬变期间重叠。图3显示了开关调节器MOSFET的典型开关波形。主开关的损失是由于充电和MOSFET的寄生电容充放电(QGD)。MOSFET的开关损耗(PSW)是转换器的开关频率成正比(FS)从公式：

　　方程1的图象

　　线性技术的开关波形和损耗图象

　　图3：一个降压稳压器MOSFET的典型开关波形和损耗。(利用线性技术)

　　虽然更高的开关频率允许使用较小的电感器，但它也增加了损失，直接在该组件。电感交流损耗主要由磁芯产生。在高频开关调节器中，铁芯材料通常是铁粉或铁氧体。铁粉比铁氧体损失更大，但在这两种情况下，损耗主要是由于磁滞现象造成的。

　　其他与交流有关的损耗包括栅极驱动损耗和死区时间二极管损耗。开关损耗的计算通常不简单，但更容易看出它们与开关频率成比例。

　　对于大于10的负载电流的应用，大多数降压开关稳压器工作在100千赫至2兆赫范围内。例如，德克萨斯仪器(TI)tps53353，同步降压开关稳压器，可提供高达20的1.5至15 V从4.5到25 V输入，具有一个可调250 kHz到1 MHz的开关频率。

　　对于低于10的负载电流，当有较少的功率耗散时，开关频率可以提高到3或4兆赫。准则，例如，提供max8560，同步降压开关稳压器，具有4 MHz的开关频率。该设备可以工作从2.7到5.5 V输入，并提供一个0.6至2.5 V输出高达500毫安。

　　每个设计的最佳频率是仔细权衡大小、成本、效率和其他性能参数的结果。

　　缩小差距

　　调节器中的实际开关损耗取决于拓扑、组件和应用程序。不久前，一个同步降压转换器从一个12 V输入，产生一个3.3 V / 10输出可能会遭受百分之一的效率损失为每100千赫频率的增加。因此，对于其他类似的设备，如果一个200千赫的开关稳压器的效率为93%，一个500千赫的产品将显示90%的效率，而一个2 MHz的开关稳压器将难以达到75%。

　　好消息是，电源模块制造商最近将重点放在提高高频开关稳压器的效率上，并取得了一些令人瞩目的成果。

　　这种改进主要是由于MOSFET的导通和开关损耗降低所致。这些损失已经通过提高品质因数降低(FOM)的功率晶体管，从而降低沟道电阻和栅极驱动电荷。新的设计方法产生更快的开关边缘的稳压器设计，进一步降低MOSFET过渡过程中的损失。

　　这些变化缩小了高频开关调节器和中低频设备之间的差距。Ti，例如，提供了两个版本的lm26420。该模块是一个双2 A，高频同步降压稳压器的工作范围从3到5.5 V的输出范围为0.8至4.5 V与2每稳压器输出电流。该设备可在550千赫和2.2兆赫版本。

　　图4显示，当从5伏的输入电压转换为1.2 V的输出电压为2 A时，与550千赫设备相比，2.2 MHz频率选项(87%)的峰值效率仅降低百分之三。

　　在不同的开关频率，德克萨斯仪器lm26420图像

　　图4：在不同开关频率的TI lm26420效率(2.2 MHz装置在顶部，550千赫装置底部)

　　同样，Intersil提供isl8002 1或2 MHz的版本。的isl8002是一个同步降压开关稳压器，可提供高达2的连续输出电流从2.7至5.5 V的输入电源。在1兆赫的开关频率，与VIN = 3.3 V，VOUT = 1.5 V，输出负载为200毫安，效率为94%。在相同的工作条件下，2兆赫版本的效率为92%。

　　它的一部分，意法半导体提供了一个2.5 MHz双模降压-升压开关稳压器，同样令人印象深刻的效率。的stbb2提供输出电压从1.2的输入电压从2.4到5.5 V的VIN = 4.5 V至4.5 V，输出电压为2.9 V，输出负载为200 mA，效率为91%。帮助设计师公司还提供其steval-isa109v2，用来辅助的stbb2评价(图5)。

　　意法半导体stbb2图像

　　图5：意法半导体stbb2开关稳压器评估板。

　　妥协少

　　高频开关稳压器呼吁设计工程师，因为他们使更紧凑的设计和更好的瞬态响应。然而，作为这些好处的回报，设计者以前面临着更严格的EMI挑战和降低效率、缩短电池寿命和提高工作温度。

　　然而，由于改进的设计和更好的工艺技术，当代的电源模块至少解决了其中的一个缺点。通过精心挑选，工程师现在可以享受更紧凑的设计，而不必遭受10至15%的效率赤字的好处。现代高频元件现在的效率比开关稳压器的效率低四分之一。