切换式电源供应步降转换器与控制器
2010-12-18 11:36:31
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
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目前市面上有许多不同的半导体应用，也有各式各样的拓扑可利用， 以设计应用于汽车的步降或降压转换器（图 1）。本文将深入介绍不同拓扑的概况。
外部开关与整合开关的比较
在步降／降压转换器的方案当中，整合开关与外部开关皆可列为选项，其中后者大多视为步降或降压控制器。两种方式的优缺点相当明显，选择前一定要多加衡量。
内部开关的优势在于组件数量较少，因此在低电流应用时体积较小。此外，因为内部开关经过整合，较不会受到高温或其它潜在外界问题的影响，并具有良好的电磁干扰（EMI）表现。不过内部开关还是有其缺点，也就是电流与温度上的限制，而外部开关的电流处理能力，只受到外部场效晶体管（FET）的选用限制，因此使用上具有较大弹性。至于外部开关的缺点，第一是组件数量较多，其次则是必须采取保护措施，以避免损伤。
为了处理较高的电流，开关的体积必须加大，因此造成整合的成本较为昂贵；这是因为在硅芯片上需要更多空间，也需要更大的封装。功率损耗也可能造成问题，功率损耗是可以扣除的，因此较高的输出电流（一般超过 5A）会优先选择外部开关。
同步整流与异步整流的比较
异步或异步整流器，以及只有一个开关的步降转换器，在低部位路径上需具有飞轮二极管；至于同步整流器以及具有两个开关的步降转换器，第二个开关则取代了飞轮二极管（图2）。相较于同步整流器，异步整流器虽可提供较便宜的方案，但是效能较差。
使用同步整流器拓扑，加上与低部位开关并联的外部 Schottky 二极管，可以达到最高效能。更为复杂的低部位开关可增加效能，这是因为与 Schottky 二极管比较起来，在通电状况下电压降低的程度较少。在失效时间时，两种开关皆为关闭状态，外部 Schottky 二极管的电压降低程度，要比FET内部背闸二极管为低。
外部补偿与内部补偿的比较
一般而言，降压控制器使用外部开关提供外部补偿，适用于各式各样的应用方式。外部补偿可帮助控制回路适应多种外部组件，例如FET、电感，以及输出电容器。
至于具有整合开关的转换器，外部及内部补偿都经常使用。使用整合补偿可让印刷电路板具有非常快速的设计周期，并能采用小尺寸方案。
大体来说，内部补偿的优势包括使用容易、设计快速、组件数量较少等；使用容易是因为只需要配置输出滤波器，组件数量少则可让低电流应用装置使用尺寸较小的方案。内部补偿的缺点则是灵活度较差，且输出滤波器必须配合内部补偿。外部补偿提供较佳的灵活度，并可依使用的输出滤波器进行改变。此外，电流较大者可使用尺寸较小的方案，不过问题是有应用上的困难。
电流模式控制与电压模式控制的比较
在图 1 所说明的拓扑中，还存有进一步的差异因素。举例来说，调节回路拓扑以及使用开关的种类，可能会有差异。
稳压器本身可利用电压或电流模式控制，在电压模式控制中，输出电压针对控制回路提供了主要回馈，而前馈式补偿的执行方式，则常使用输入电压作为二次控制回路，以提升瞬时响应行为。在电流模式控制中，电流针对控制回路提供了主要回馈，依据控制回路的类型，此处提到的电流可为输入电流、电感电流或输出电流，二次控制回路为输出电压。
电流模式控制的优势，在于提供快速的回馈回路反应，但是需要有斜率补偿，并需针对电流测量进行切换噪声滤波，而且会出现电流感应分流器的功率损失。电压模式控制不需斜率补偿，并以前馈式补偿提供快速的回馈回路反应，不过在此建议提升瞬时响应，而且误差放大可能需要较高的频宽。
电流与电压模式控制拓扑，都适用大部分的应用方式。在许多情况中，电流模式控制拓扑需要额外的电流测量分流器电阻，具有整合前回馈补偿的电压模式控制拓扑，不需要电流回路感应电阻，即可达到几乎相同效果的回馈回路反应。此外，前回馈补偿可以简化补偿设计。许多最新的发展，都是因为电压模式控制拓扑才得以实现。
N 通道金氧半晶体管 (NMOS-FET) 与 P 通道金氧半晶体管 (PMOS-FET) 的开关比较
目前经常使用的开关，为增强型的MOSFET，另外也有具备 NMOS-FET及 PMOS-FET驱动器的步降／降压转换器与控制器。在相同效能的情况下，NMOS-FET的价格虽比 PMOS-FET稍低，但装置上的驱动器电路却更为复杂。如果要开启 NMOS-FET，闸极电压需要高于装置的输入电压。启动程序或电荷帮浦等技术必须进行整合，整合会增加成本，因而减少了 NMOS-FET最初的成本优势。
应用范例
德州仪器针对汽车业开发出两种新型的降压转换器与控制器系列，分别为 TPS40200 异步降压控制器，以及 TPS5410/20/30 异步降压转换器。
TPS40200 针对单一 PMOS-FET提供整合式的驱动器，这项产品具有异步整流器、外部补偿，以及使用前回馈补偿的电压模式控制。这种拓扑可经由选择外部 PMOS-FET，对输出电流能力进行调整。此外，其整合式电流限制功能，可以保护外部 PMOS-FET，不受过电流状况的伤害。外部补偿可帮助电感与输出电容器，适应更广泛的环境。
在应用 1 当中，针对 TPS40200 降压稳压器所显示的设计，在 3.3 伏特的情况下传送出 2 安培，并在 3.3 伏特时达到 90% 以上的效能（5.0 伏特时为 94%）。
在汽车环境中此组件所提供的重要功能，包括大范围的输入电压（4-52V）、大范围的操作温度（TJ 摄氏 –40 至 +150 度）、能与外部频率同步，以及可程序短路保护。
TPS5410/20/30 异步降压转换器具有整合式的 NMOS-FET开关、异步整流器，提供整合补偿，以及使用前回馈补偿的电压模式控制。
除了输出滤波器之外，唯一需要的外部组件，就是低部位路径上的飞轮 Schottky 二极管。整合补偿与整合式的 NMOS-FET，可针对连续输出电流进行调整；TPS5410 机型连续输出电流最高可达 1A，TPS5420 为 2A，TPS5430 则为 3A。
和 TPS40200 一样，TPS5410/20/30 提供了重要的汽车环境功能。装置具有大范围的输入电压（5-36V）、大范围的操作温度（TJ 摄氏 –40 至 +150 度）、短路保护，以及组件数量少等特色，这都是因为采用整合补偿及电源开关之故。
（来源：TI）
外部开关与整合开关的比较
在步降／降压转换器的方案当中，整合开关与外部开关皆可列为选项，其中后者大多视为步降或降压控制器。两种方式的优缺点相当明显，选择前一定要多加衡量。
内部开关的优势在于组件数量较少，因此在低电流应用时体积较小。此外，因为内部开关经过整合，较不会受到高温或其它潜在外界问题的影响，并具有良好的电磁干扰（EMI）表现。不过内部开关还是有其缺点，也就是电流与温度上的限制，而外部开关的电流处理能力，只受到外部场效晶体管（FET）的选用限制，因此使用上具有较大弹性。至于外部开关的缺点，第一是组件数量较多，其次则是必须采取保护措施，以避免损伤。
为了处理较高的电流，开关的体积必须加大，因此造成整合的成本较为昂贵；这是因为在硅芯片上需要更多空间，也需要更大的封装。功率损耗也可能造成问题，功率损耗是可以扣除的，因此较高的输出电流（一般超过 5A）会优先选择外部开关。
同步整流与异步整流的比较
异步或异步整流器，以及只有一个开关的步降转换器，在低部位路径上需具有飞轮二极管；至于同步整流器以及具有两个开关的步降转换器，第二个开关则取代了飞轮二极管（图2）。相较于同步整流器，异步整流器虽可提供较便宜的方案，但是效能较差。
使用同步整流器拓扑，加上与低部位开关并联的外部 Schottky 二极管，可以达到最高效能。更为复杂的低部位开关可增加效能，这是因为与 Schottky 二极管比较起来，在通电状况下电压降低的程度较少。在失效时间时，两种开关皆为关闭状态，外部 Schottky 二极管的电压降低程度，要比FET内部背闸二极管为低。
外部补偿与内部补偿的比较
一般而言，降压控制器使用外部开关提供外部补偿，适用于各式各样的应用方式。外部补偿可帮助控制回路适应多种外部组件，例如FET、电感，以及输出电容器。
至于具有整合开关的转换器，外部及内部补偿都经常使用。使用整合补偿可让印刷电路板具有非常快速的设计周期，并能采用小尺寸方案。
大体来说，内部补偿的优势包括使用容易、设计快速、组件数量较少等；使用容易是因为只需要配置输出滤波器，组件数量少则可让低电流应用装置使用尺寸较小的方案。内部补偿的缺点则是灵活度较差，且输出滤波器必须配合内部补偿。外部补偿提供较佳的灵活度，并可依使用的输出滤波器进行改变。此外，电流较大者可使用尺寸较小的方案，不过问题是有应用上的困难。
电流模式控制与电压模式控制的比较
在图 1 所说明的拓扑中，还存有进一步的差异因素。举例来说，调节回路拓扑以及使用开关的种类，可能会有差异。
稳压器本身可利用电压或电流模式控制，在电压模式控制中，输出电压针对控制回路提供了主要回馈，而前馈式补偿的执行方式，则常使用输入电压作为二次控制回路，以提升瞬时响应行为。在电流模式控制中，电流针对控制回路提供了主要回馈，依据控制回路的类型，此处提到的电流可为输入电流、电感电流或输出电流，二次控制回路为输出电压。
电流模式控制的优势，在于提供快速的回馈回路反应，但是需要有斜率补偿，并需针对电流测量进行切换噪声滤波，而且会出现电流感应分流器的功率损失。电压模式控制不需斜率补偿，并以前馈式补偿提供快速的回馈回路反应，不过在此建议提升瞬时响应，而且误差放大可能需要较高的频宽。
电流与电压模式控制拓扑，都适用大部分的应用方式。在许多情况中，电流模式控制拓扑需要额外的电流测量分流器电阻，具有整合前回馈补偿的电压模式控制拓扑，不需要电流回路感应电阻，即可达到几乎相同效果的回馈回路反应。此外，前回馈补偿可以简化补偿设计。许多最新的发展，都是因为电压模式控制拓扑才得以实现。
N 通道金氧半晶体管 (NMOS-FET) 与 P 通道金氧半晶体管 (PMOS-FET) 的开关比较
目前经常使用的开关，为增强型的MOSFET，另外也有具备 NMOS-FET及 PMOS-FET驱动器的步降／降压转换器与控制器。在相同效能的情况下，NMOS-FET的价格虽比 PMOS-FET稍低，但装置上的驱动器电路却更为复杂。如果要开启 NMOS-FET，闸极电压需要高于装置的输入电压。启动程序或电荷帮浦等技术必须进行整合，整合会增加成本，因而减少了 NMOS-FET最初的成本优势。
应用范例
德州仪器针对汽车业开发出两种新型的降压转换器与控制器系列，分别为 TPS40200 异步降压控制器，以及 TPS5410/20/30 异步降压转换器。
TPS40200 针对单一 PMOS-FET提供整合式的驱动器，这项产品具有异步整流器、外部补偿，以及使用前回馈补偿的电压模式控制。这种拓扑可经由选择外部 PMOS-FET，对输出电流能力进行调整。此外，其整合式电流限制功能，可以保护外部 PMOS-FET，不受过电流状况的伤害。外部补偿可帮助电感与输出电容器，适应更广泛的环境。
在应用 1 当中，针对 TPS40200 降压稳压器所显示的设计，在 3.3 伏特的情况下传送出 2 安培，并在 3.3 伏特时达到 90% 以上的效能（5.0 伏特时为 94%）。
在汽车环境中此组件所提供的重要功能，包括大范围的输入电压（4-52V）、大范围的操作温度（TJ 摄氏 –40 至 +150 度）、能与外部频率同步，以及可程序短路保护。
TPS5410/20/30 异步降压转换器具有整合式的 NMOS-FET开关、异步整流器，提供整合补偿，以及使用前回馈补偿的电压模式控制。
除了输出滤波器之外，唯一需要的外部组件，就是低部位路径上的飞轮 Schottky 二极管。整合补偿与整合式的 NMOS-FET，可针对连续输出电流进行调整；TPS5410 机型连续输出电流最高可达 1A，TPS5420 为 2A，TPS5430 则为 3A。
和 TPS40200 一样，TPS5410/20/30 提供了重要的汽车环境功能。装置具有大范围的输入电压（5-36V）、大范围的操作温度（TJ 摄氏 –40 至 +150 度）、短路保护，以及组件数量少等特色，这都是因为采用整合补偿及电源开关之故。
（来源：TI）
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