降压转换器

基本原理

　　图1显示了一种降压开关稳压器的基本原理，即同步降压转换器。“同步降压”指的是MOSFET用作低边开关。相对应的，标准降压稳压器要使用一个肖特基二极管做为低边开关。与标准降压稳压器相比，同步降压稳压器的主要好处是效率更高，因为MOSFET的电压降比二极管的电压降要低。低边和高边MOSFET的定时信息是由脉宽调制(PWM)控制器提供的。控制器的输入是来自输出端反馈回来的电压。这个闭环控制使降压转换器能够根据负载的变化调节输出。PWM模块的输出是一个用来升高或降低开关频率的数字信号。该信号驱动一对MOSFET。信号的占空比决定了输入直接连到输出的导通时间的百分比。因此，输出电压是输入电压和占空比的乘积。

选择开关频率

　　尽管器件的开关频率有时是固定的，还是有必要讨论开关频率的问题，主要的权衡因素是效率。简而言之，MOSFET有确定的导通和关断时间。当频率增加时，过渡时间在总时间中所占的百分比会增加。结果是：效率降低了。如果效率是最重要的设计目标，就需要考虑降低开关频率。如果系统效率足够高，就可以采用更高的开关频率。频率更高，就可以使用更小的外部无源器件，即输出电感器和电容器。

外部器件

　　设计分立解决方案是相当有难度的，大约需要40个器件，这是个需要额外付出大量努力的复杂工作。在设计电压模式降压控制器时，外部器件和其寄生效应对系统性能起了很大的决定作用。在讨论每种器件时，我们再详加叙述。

　　采用这种特殊降压转换器时，我们必须选择5个额外器件，包括输入电容、输出电容、输出电感器，高边和低边MOSFET。选择输出电感器时，要满足输出纹波的要求，以及减小PWM对瞬态负载的响应时间。电感器感值的下限是由纹波要求确定的。在寻找最小(可能也是的)电感器之前，要记住的一点是，电感器并不是完美的器件。实际的电感器有饱和等级。饱和级别必须高于系统中的峰值电流，才能设计出成功的产品。有经验的设计者还明白，感值并不是不随电流变化的常量。事实上，流过器件的电流越大，感值会降低的。请核实电感器的数据表，确保你所选择的感值对系统中的峰值电流是足够的。在更大层面上可能犯的错误是选择的电感，虽然小心谨慎还是必要的。更大的感值可以减少输出纹波，但也会限制压摆率。最终，大电感会限制对负载瞬态的响应时间。因此在选择电感器时，是选择在更低的峰峰值纹波电流条件下更安静的输出，还是需要系统能够对瞬态事件做出快速的响应，是需要做出明确的折中。

　　输入电容负责吸收高边MOSFET输入电流的交流分量。因此，其RMS电流容量必须足够大，才能处理由高边MOSFET汲取的交流分量。由于质量和低温度系数，陶瓷电容器可以对高频分量进行去耦。降压电容器提供更低频率的RMS电流，这取决于占空比(当系统的工作占空比比50%越大，RMS电流越大)。降压电容可以是几个多层陶瓷电容器。然而在低成本应用中，通常使用几个并联的电解电容器。如果是采用表面贴装，可以选固态钽电容用作降压电容，但是必须仔细核对电容器的浪涌电流等级(浪涌电流通常出现在启动时)。在选择降压转换器系统中的任何电容器时，需要寻找具有小等效串联电容(ESL)、小等效串联电阻(ESR)，是所需的总电容。还有，就是根据约算选择的器件。对于电容电压等级，还有一点需要注意。为减少难以发现的故障，可以选择电压等级是输入电压的1.2～1.3倍的电容器，也就是说，电压要跨越输入电压的范围。