如果你問一個(gè)典型的手機(jī)用戶哪個(gè)更重要，一次充電能夠連續(xù)通話更長時(shí)間，或者在待機(jī)幾天后剩余一定百分比的電池電量來快速通話，我懷疑兩者都會(huì)被認(rèn)為是重要的。畢竟，效率是現(xiàn)代節(jié)能電源設(shè)計(jì)的口號(hào)，但輕負(fù)載或待機(jī)條件下的效率變化會(huì)影響便攜式設(shè)備的電池充電可用性，對(duì)用戶同樣重要。

在這兩種情況下，為電子設(shè)備供電的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不會(huì)耗盡便攜式設(shè)備中的電池，這可能會(huì)產(chǎn)生重大影響。一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)可能在滿載時(shí)具有良好的95%或更高的標(biāo)題轉(zhuǎn)換效率，但待機(jī)損耗可能會(huì)有很大差異，直接影響您的手機(jī)在幾天不充電后進(jìn)行緊急呼叫的可用性。在DC-DC中，在輕負(fù)載下，損耗往往是固定值，與實(shí)際負(fù)載功率無關(guān)，通常來自“內(nèi)務(wù)管理”功能或功率MOSFET柵極的充電和放電，與它們是否通過漏極電流無關(guān)。這些條件下的效率應(yīng)該盡可能高，但實(shí)際數(shù)字沒有那么有意義;如果您的待機(jī)負(fù)載為1mW，固定轉(zhuǎn)換損耗為1mW，您可能會(huì)很高興，即使效率僅為50%。

不過，固定損失的絕對(duì)值很重要;在系統(tǒng)層面，如果將其減半至0.5mW，手機(jī)中的通話時(shí)間可能僅改善幾秒鐘，但可能會(huì)使以天為單位的待機(jī)可用時(shí)間增加一倍。降低空載和待機(jī)損耗的努力當(dāng)然是值得的。

同步是必經(jīng)之路

當(dāng)然，便攜式設(shè)備中的“降壓”轉(zhuǎn)換器通常需要使用“同步整流”的最佳技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效率。降壓轉(zhuǎn)換器由一個(gè)串聯(lián)開關(guān)SW1組成，SW<>將電流脈沖傳遞到電感器，第二個(gè)開關(guān)允許連續(xù)電流在串聯(lián)開關(guān)關(guān)閉時(shí)流向輸出。脈寬調(diào)制以及電感和后續(xù)電容器的平均效應(yīng)可降壓并調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖1.降壓轉(zhuǎn)換器外形

用于第二個(gè)開關(guān)SW2的“飛輪”二極管是一種簡單的解決方案，通過“換向”在正確的時(shí)間自動(dòng)導(dǎo)通，當(dāng)串聯(lián)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感中存儲(chǔ)的能量的作用導(dǎo)致二極管的正向偏置。但是，二極管具有顯著的正向壓降，在部分開關(guān)周期內(nèi)與負(fù)載串聯(lián)。如果負(fù)載電壓較低，該二極管壓降在總壓降中占很大比例，導(dǎo)致效率低下。在高輸入電壓下，當(dāng)二極管在開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)，效果更差。即使是肖特基二極管也很難在較高電流下提供體面的效率水平，因?yàn)槠鋲航翟黾拥脚c標(biāo)準(zhǔn)快速恢復(fù)類型相似的水平。

用受控開關(guān)代替二極管，稱為“同步整流”，只要開關(guān)接近理想且壓降很小，始終是最佳解決方案。早期電路使用擊敗二極管的雙極晶體管，但需要復(fù)雜的、耗電的電流驅(qū)動(dòng)電路來抵消所獲得的優(yōu)勢(shì)，特別是在輕負(fù)載下。

進(jìn)入MOSFET作為開關(guān)，它需要的驅(qū)動(dòng)功率要少得多。高 Rds（on） 數(shù)字最初意味著，在較高電流下，它們的壓降與二極管相當(dāng)，但隨著技術(shù)發(fā)展到亞毫歐級(jí)器件，它們已經(jīng)獨(dú)樹一幟（圖 2）。

圖2.場(chǎng)效應(yīng)管同步整流器

現(xiàn)在很容易實(shí)現(xiàn)高負(fù)載下的高效率，但那些站立損耗仍然需要注意。例如，現(xiàn)代降壓控制器的工作頻率可能為 3MHz，但對(duì)于總柵極電荷僅為 15nC 的器件，只需以這種速度在 1 至 <> V 之間切換 MOSFET 柵極，就會(huì)耗散 <>mW。功率不被柵極本身消耗，它耗散在驅(qū)動(dòng)器和串聯(lián)柵極電阻中，并且與脈沖占空比無關(guān)。鑒于轉(zhuǎn)換器中至少有兩個(gè)開關(guān)，問題很明顯。

PFM 或“脈沖跳躍”有助于減少待機(jī)損耗

在輕負(fù)載下，降壓轉(zhuǎn)換器無需在高頻下工作;所需的能量可以通過低重復(fù)率的短脈沖提供。通過強(qiáng)制這樣做，可以顯著降低固定開關(guān)損耗 - 功耗與開關(guān)事件數(shù)或每秒柵極充電/放電周期成正比。控制器有效地進(jìn)入“恒定導(dǎo)通時(shí)間，可變關(guān)斷時(shí)間”模式。在最輕的負(fù)載下，關(guān)斷時(shí)間可能很長，因此實(shí)際上在一段時(shí)間內(nèi)禁用某些控制器內(nèi)部電路是可行的，因?yàn)樗鼰o關(guān)緊要，從而節(jié)省更多功率。

在輕負(fù)載時(shí)禁用同步整流

同步整流具有雙向?qū)ǖ膬?yōu)點(diǎn)，可在任何負(fù)載下提供連續(xù)電感電流（CCM），這有助于環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。不過，故意禁止同步MOSFET在輕負(fù)載下傳導(dǎo)反向電流，迫使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），這可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。如果能夠保持環(huán)路穩(wěn)定性，則凈損耗可以更低，因?yàn)镸OSFET在開關(guān)周期的較小部分導(dǎo)通。如果轉(zhuǎn)換器處于脈沖跳躍模式，增益會(huì)更靜止。圖 3 顯示了您將看到的波形。

圖3.不同的降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)模式

Maxim MAX17501控制器是集成這些特性的器件的一個(gè)很好的例子。該器件可提供 500mA 負(fù)載電流，峰值效率優(yōu)于 90%，輸入電壓高達(dá) 60V，固定輸出為 3.3V 或 5V。脈沖頻率模式的電流小于約60mA，零負(fù)載時(shí)，開關(guān)電流在100°C時(shí)降至20μA以下。 相比之下，如果可選擇在空載時(shí)強(qiáng)制固定頻率PWM，則電流消耗將接近5mA。在某些應(yīng)用中，您可能希望忍受這種情況，以保持開關(guān)頻率恒定和噪聲水平更可預(yù)測(cè)。

審核編輯：郭婷