如何設計面向大降壓比應用的同步降壓轉換器(08-100)

　　引言

　　DC-DC降壓轉換器已在工業領域得到了廣泛應用，其中最常用到的拓撲便是降壓轉換器。半導體技術的發展使得現今的電子設備能在越來越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至1V電壓下工作。。傳統采用一個二極管的降壓轉換器的轉換效率很低，尤其是在較低的輸出電壓下，原因是由于二極管通常會消耗不少的功率，其典型正向電壓降為0.35V~0.5V，從而造成了較大比例的功率損耗。同步降壓轉換器采用MOSFET來代替二極管，該解決方案具有高效率、高輸出電流和低輸出電壓等優勢。MOSFET中的電壓降與其接通電阻和電流成比例，其典型值為0.1V~0.3V。因此，功率損耗便可大大下降，從而達到很高的轉換效率。另一方面，許多應用要求的輸入電壓范圍很大。例如汽車應用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車電池的電壓一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會達到40V。由于輸入電壓很高而輸出電壓很低(或者是輸出電流很高)，因此需要使用大降壓比的轉換器。

　　具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉換器一般采用兩級轉換。第一級轉換是將高輸入電壓轉換為中間電壓，第二級轉換則將中間電壓轉換為需要的低輸出電壓。采用兩級轉換的原因很多。首先，大降壓比則意味著需要低占空比。例如，一個24V輸入及1.2V輸出的轉換器，其要求的占空比為0.05，這對效率和性能而言都非常不利。甚至對于一般的降壓轉換器而言，這個很低的占空比是無法達到。第二，支持輸出電壓低于1.2V的設備一般其輸入電壓不會大于10V到15V。但是，根據之前所述，在汽車等一些設備中，甚至會出現高達40V的高輸入電壓。可是，對于能接受20V以上輸入電壓的設備，其輸出電壓往往都高于1.2V。因此，對于高輸入低輸出的電壓應用來說，采用兩級轉換是非常合理。

　　兩級轉換的不良效率

　　效率是兩級轉換器所需要關注的一個主要問題。盡管對個別級的轉換而言，均可以達到較高的效率，但是整體效率卻可能很低。因為整體效率是各轉換級效率之乘積。比如，圖1所示為一個可將12V或24V的輸入電壓轉換為5V輸出電壓的降壓轉換器的效率曲線。此外，圖中同樣給出了一個將5V輸入電壓轉換為1.2V輸出電壓的轉換器效率。兩個轉換器同樣在550kHz的頻率下運作，并在半負荷下得出約80%的效率。可是，使用在兩級轉換中的這兩個降壓轉換器的整體效率僅在60%~70%左右，如圖2所示。

　　圖1 單級的效率曲線