外部開關(guān)與集成開關(guān)

 

降壓轉(zhuǎn)換器解決方案中有許多集成開關(guān)和外部開關(guān)，后者通常被稱為步降或降壓控制器。這兩種開關(guān)具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在兩種開關(guān)之間進(jìn)行選擇時必須要考慮到其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

許多集成開關(guān)都具有組件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，這一優(yōu)點(diǎn)使這些開關(guān)擁有較小的尺寸，可以用于許多低電流應(yīng)用。由于其集成性，在表現(xiàn)出良好 EMI 性能的同時，它們均可以在高溫或其他外部可能出現(xiàn)的影響條件下得到保護(hù)。但是它們也有不足之處，即電流和散熱極限問題;而外部開關(guān)則提供了更大的靈活性，電流處理能力僅受外部 FET 選擇的限制。在負(fù)極側(cè)，外部開關(guān)需要更多的組件且必須得到保護(hù)，以免受到潛在問題的損壞。

 

為了處理更高的電流，開關(guān)也要更大些，這就使得集成更加昂貴，因?yàn)樾枰加眯酒蟮膶氋F空間并且需要采用更大的封裝。另外功耗問題也是一個難題。因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：對于較高的輸出電流(通常高于 5A)而言，外部開關(guān)是上佳之選。

 

同步整流與異步整流

 

僅具有一個開關(guān)的異步或非同步整流器降壓轉(zhuǎn)換器在低位通路中需要一個續(xù)流二極管，而在具有兩個開關(guān)的同步整流器降壓轉(zhuǎn)換器中，第二個開關(guān)取代了上述續(xù)流二極管(見圖 1)。與同步解決方案相比，異步整流器具有可提供較為便宜的解決方案的優(yōu)點(diǎn)，但是其效率不是很高。

 

圖 1 SMPS—異步和同步整流

 

利用一個同步整流器拓?fù)?，并把一個外部肖特基二極管與低位開關(guān)并聯(lián)將可以獲得  的效率。相對于肖特基二極管，由于在“開啟”狀態(tài)下存在一個較低的壓降，因此這種低位開關(guān)的更高復(fù)雜度提高了效率。在停滯時間期間(兩個開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài))，與 FET 內(nèi)部背柵二極管相比，外部肖特基二極管具有更低的壓降性能。

 

外部補(bǔ)償與內(nèi)部補(bǔ)償

 

一般來說，采用外部開關(guān)的降壓控制器可提供外部補(bǔ)償，因?yàn)樗麄兯m合的應(yīng)用非常廣泛。外部補(bǔ)償有助于控制環(huán)路適應(yīng)各種外部組件，如FET、電感以及輸出電容。

 

對于采用集成開關(guān)的轉(zhuǎn)換器而言，一般會同時用到外部補(bǔ)償和內(nèi)部補(bǔ)償。內(nèi)部補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了極快的工藝驗(yàn)證周期以及較小的 PCB 解決方案尺寸。

 

內(nèi)部補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢可以概括為易于使用(因?yàn)橹恍枰獙敵鰹V波器進(jìn)行配置)、可進(jìn)行快速設(shè)計，且組件數(shù)量較少，因此可提供低電流應(yīng)用小尺寸解決方案。其缺點(diǎn)就是靈活性較差，且輸出濾波器必須服從于內(nèi)部補(bǔ)償。而外部補(bǔ)償提供了更大的靈活性，可以根據(jù)所選的輸出濾波器對補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整，同時，對于較大的電流而言，該補(bǔ)償可以是一個較小的解決方案，但是這種應(yīng)用更為困難。

 

電流模式控制與電壓模式控制

 

在圖2所描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，仍然存在許多可以進(jìn)一步差異化的方面。例如，調(diào)節(jié)環(huán)路的拓?fù)湟约八褂玫拈_關(guān)類型可以是不同的。

 

圖 2 降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 

調(diào)節(jié)器本身可以以電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。在電壓模式控制時，輸出電壓為控制環(huán)路提供了主反饋，且前饋補(bǔ)償通常是通過使用輸入電壓作為一個次級控制環(huán)路來實(shí)施的，以增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)行為;在電流模式控制時，電流為控制環(huán)路提供了主反饋。根據(jù)控制環(huán)路的不同，這一電流可以是輸入電流、電感電流或輸出電流。次級控制環(huán)路為輸出電壓。

 

電流模式控制具有可提供快速反饋環(huán)路響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但是要求具有斜率補(bǔ)償，需要開關(guān)噪聲濾波以進(jìn)行電流測量，且在電流檢測分路上存在功率損耗。電壓模式控制不需要斜率補(bǔ)償，并且可提供具有前饋補(bǔ)償?shù)目焖俚姆答伃h(huán)路響應(yīng)，雖然在這里推薦使用瞬態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)性能，但是誤差放大電路可能要求更高的帶寬。

 

電流和電壓模式控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均適合于為了用于大多數(shù)應(yīng)用進(jìn)行的調(diào)整。在許多情況下，電流模式控制拓?fù)涠家笥幸粋€額外的電流環(huán)路檢測電阻器;具有集成前饋補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｊ酵負(fù)鋵?shí)現(xiàn)了幾乎相同的反饋環(huán)路響應(yīng)，且無需電流環(huán)路檢測電阻器。此外，前饋補(bǔ)償還簡化了補(bǔ)償設(shè)計。許多單期的開發(fā)工作都是利用電壓模式控制拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)的。

 

開關(guān)、NMOSFET與PMOSFET

 

當(dāng)前常用的開關(guān)均為增強(qiáng)型 MOSFET，并且有許多步降/降壓轉(zhuǎn)換器和控制器都采用了 NMOSFET 和 PMOSFET 驅(qū)動器。與 PMOSFET相比，NMOSFET 通常提供的性價比更高，該器件上的驅(qū)動電路也更為復(fù)雜。為了開關(guān)一個 NMOSFET，需要一個比該器件輸入電壓更高的柵極電壓。諸如自舉或充電泵的技術(shù)必須是集成的，增加了成本，也降低了 NMOSFET   初的成本優(yōu)勢。

 

示例應(yīng)用

 

這兩種應(yīng)用方案中的主芯片為TI推出的 TPS40200異步降壓控制器和 TPS5410/20/30 異步降壓轉(zhuǎn)換器，它們專門針對車載行業(yè)苛刻的要求和 AEC Q100 規(guī)范而開發(fā)。

 

TPS40200為一個外部 PMOSFET 提供集成的驅(qū)動器，從而提供了一款成本極低的解決方案。它具有一個異步整流器、外部補(bǔ)償和具有前饋補(bǔ)償功能的電壓模式控制。該拓?fù)湓试S通過選擇外部 PMOSFET 對輸出電流能力進(jìn)行調(diào)整，與此同時，集成的電流限制功能實(shí)現(xiàn)了對外部 PMOSFET 的保護(hù)以防止出現(xiàn)過流。外部補(bǔ)償有助于適應(yīng)電感和輸出電容器更寬范圍的設(shè)置。這就實(shí)現(xiàn)了成本和效率的進(jìn)一步優(yōu)化。

 

在圖3所示的設(shè)計方案中， TPS40200 降壓轉(zhuǎn)換器在 3.3V 時可提供 2A 的電流，并實(shí)現(xiàn) 90% 以上的效率(在 5V 時，可實(shí)現(xiàn) 94% 的效率)。

 

在車載環(huán)境中，該組件所提供的重要特性包括：寬輸入電壓范圍(4V~52V)、寬工作溫度范圍(TJ 為-40℃~+150℃)、與外部頻率同步的能力，以及可編程短路保護(hù)特性。

 

異步降壓轉(zhuǎn)換器TPS5410/20/30具有一個集成的NMOSFET開關(guān)、一個異步整流器，并提供了內(nèi)部補(bǔ)償，以及具有前饋補(bǔ)償?shù)碾妷耗Ｊ娇刂啤?/div>