用两级转换设计面向大降压比应用的同步降压转换器

1  引言

　　设计降压转换器并不是件轻松的工作。许多使用者都希望转换器是一个盒子，一端输入一个直流电压，另一端输出另一个直流电压。这个盒子可以有很多形式，可以是降阶来产生一个更低的电压，或是升压来产生一个更高的电压。还有很多特殊的选项，如升降压、反激和单端初级电感转换器（SEPIC），这是一种能让输出电压大于、小于或等于输入电压的DC-DC转换器。如果一个系统采用交流电工作，个AC-DC模块应当产生系统所需的的直流电压。因此，使用广的器件是降压转换器。

　　DC-DC降压转换器已在工业领域得到了广泛应用，其中常用到的拓扑便是降压转换器。汽车应用中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出电压特性的功率转换器一般采用两级转换。级转换是将高输入电压转换为中间电压，第二级转换则将中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。根据之前所述，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。

2  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之乘积。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。

图1 单级的效率曲线

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、电感器和降压电容器数量约为单级转换的两倍。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3 LM3103的效率曲线

3  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PowerWise产品系列。LM3103的输入电压可高达42V，输出电压可低至0.6V。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。图中的电容 CIN 和 COUT 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。

点击看原图

 

 

 

图4 1.2V输出的LM3103原理图

4  输出电压

　　由于LM3103的内部参考电压等于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 = 10kΩ，那么RFB1可通过下式进行计算：

5  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：

　　在图4中， fSW 设定为550kHz，因此计算出的RON等于26.3kΩ。

6  电感器电流纹波

　　LM3103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率有密切的关系。L的计算公式如下：

 

　　在设计中把VIN定为 12V，则计算出来的L便等于6.55μH。

　　元件的选择应基于以上计算和图4中所示的实际数值。LM3103应用电路的效率曲线已在图3中展示出来。对比图2与图3，便会发现 LM3103的单级转换效率比起两级转换的整体效率高出了5到10%。表1对LM3103和两级转换进行了比较。从表中可以看出，在效率、元件数量和方案尺寸方面，LM3103都比两级转换有优势。

表1 LM3103与两级转换的对比