時間:2018-01-31 14:04:35來源:安森美半導(dǎo)體
摘要:同步降壓穩(wěn)壓器是一種常用的電源,隨著各類應(yīng)用要求的不斷提高,行業(yè)越來越趨向于追求高能效、高可靠性、高功率密度的設(shè)計方案。比如應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的負載點(PoL)電源,輸入電壓越來越寬,工作頻率、功率密度也越來越高,隨著技術(shù)的發(fā)展,甚至可將整個電源系統(tǒng)集成在單個封裝中。同步降壓穩(wěn)壓器其電路結(jié)構(gòu)本身非常簡單,但工程師要完成高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計,還是有著不少的技術(shù)挑戰(zhàn),必須對穩(wěn)壓器電路的各種工作狀態(tài)有著非常深入、透徹的了解,同時還需完成大量的計算工作。本文將介紹快速設(shè)計出高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的技術(shù),以及安森美半導(dǎo)體的PowerSupplyWebDesigner在線設(shè)計工具,幫助工程師解決所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
1動態(tài)性能的設(shè)計
設(shè)計一個可靠的同步降壓穩(wěn)壓器,首先必須滿足其動態(tài)性能指標如負載響應(yīng)能力。而輸出電感、電容的選擇會直接影響到穩(wěn)壓器的動態(tài)性能,所以同步降壓穩(wěn)壓器的功率電路設(shè)計通常是從選擇輸出電感和電容開始。
1.1選擇電感
從電路設(shè)計的角度,為實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng),必須選擇盡可能小的輸出濾波電感和最小的輸出電容。然而小的電感值會增加電感電流紋波,導(dǎo)致電感中有效電流值增加而使得導(dǎo)通損耗增大,同時所導(dǎo)致的峰值電流的增加,也會大大增加控制管的開關(guān)損耗。
使用大電感,可減小電感中的電流紋波,從而降低穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波,所導(dǎo)致的低峰值電流也有助于降低MOSFET的開關(guān)損耗,但電感太大不僅會導(dǎo)致相對較大的直流阻抗,產(chǎn)生較高的電感損耗,還會降低穩(wěn)壓器的負載響應(yīng)能力,從而降低穩(wěn)壓器的動態(tài)性能。
為選擇適當?shù)碾姼?,通常可假定電流紋波ΔILO為電感平均電流的30%,然后根據(jù)下面的公式直接計算出合適的電感值。
tDEAD(ON)是在檢測到Q1柵極關(guān)斷和Q2VGs達到閾值之間的總的死區(qū)時間。
tDEAD(OFF)是在檢測到Q2柵極關(guān)斷和Q1導(dǎo)通之間的總的死區(qū)時。
tDEAD(ON)是在檢測到Q1柵極關(guān)斷和Q2開始導(dǎo)通之間,驅(qū)動器的內(nèi)部調(diào)節(jié)的或可編程的延遲時間(自適應(yīng)死區(qū)時間)
tDEAD(OFF)是在檢測到Q2柵極關(guān)斷和Q1開始導(dǎo)通之間,驅(qū)動器的延遲。通常遠遠超過tDEAD(ON)以避免誤觸發(fā)Q2
PRgate是分布于Q2內(nèi)部柵極阻抗的損耗。
PGDRV是儲存在柵極電容的能量。
RDRV(SRC)是Q2導(dǎo)通(源電流)時Q2驅(qū)動的內(nèi)部阻抗。
RDRV(SNK)是Q2關(guān)斷(汲電流)時Q2驅(qū)動器的內(nèi)部阻抗。
gFS是MOSFET的正向跨導(dǎo)
VSPEC是當MOSFET阻抗為RDS(ON)時的柵極電壓。
CISS是當VDS接近0V時的輸入電容,約為數(shù)據(jù)表中CISS典型值的1.25倍。
輸出電容及反向恢復(fù)損耗與同步管Q2的Coss及Qrr有關(guān),主要耗散于控制管Q1。如圖4所示。
圖4Q2的損耗對比
Q2的導(dǎo)通損耗PCOND隨VIN升高而增加,開關(guān)損耗PSW只是隨著VIN升高而略微增加。而Q2的寄生二極管導(dǎo)通損耗PDcond和柵極驅(qū)動損耗PRgate都與VIN無關(guān)。因此,當VIN為最大時,Q2損耗最大。
綜上所述,當VIN為最大或最小時,Q1+Q2總的損耗最大。進行計算時,必須同時考慮Q1和Q2的相互影響。
3設(shè)計示例
以下通過一個設(shè)計示例,演示如何完成控制管Q1和同步管Q2的優(yōu)化選擇。如果要設(shè)計一個輸出為5V、10A的同步降壓穩(wěn)壓器,其輸入電壓VIN=8-16V,工作頻率FSW=350kHz。考慮到20%的安全裕量及開關(guān)節(jié)點的電壓振蕩,可初步選擇額定電壓30V以上、額定電流IDCONT額定值≥10.3A的MOSFET。然后,根據(jù)具體的應(yīng)用要求,確定MOSFET的封裝要求。為簡化演示,我們選擇采用5x6mmPQFN(Power56)封裝的器件。綜合以上選擇條件,安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品陣容中有超過150個器件供選擇,我們需再進一步從中挑選出合適的Q1和Q2。同樣為簡化演示,我們將列出用于Q1和Q2的各12個器件。
圖5 Q2的損耗對比
對于Q2,VIN=VINMAX時損耗最大。圖5所示的12個器件中,F(xiàn)DMS7656AS有最低的最大損耗。但由于Q2寄生參數(shù)會影響Q1的開關(guān)損耗,最小Q2損耗通常并不意味著最佳的總能效。必須比較Q1及Q2的總功耗來找到最佳的Q2以實現(xiàn)最高能效。
圖6 Q1的損耗對比
對于Q1,VIN=VINMAX或VINMIN時損耗最大。圖6所示的12個器件中,F(xiàn)DMS8027S和FDMS8023S分別在VIN=VINMAX和VINMIN時有最低的最大損耗的Q1。
為優(yōu)化轉(zhuǎn)換器能效,首先根據(jù)VIN選擇損耗最小的Q1,然后選擇產(chǎn)生損耗最小的Q2。本例中,無論VIN最小或最大,最佳的Q2是相同的,都為FDMS7658AS(但并不總是如此,特別是具有寬VIN范圍或高FSW時),如圖7所示。
圖7 優(yōu)化組合Q1和Q2
由于當VIN=VINMAX或VINMIN,Q1+Q2總的損耗最大,我們需對總的損耗進行對比,選擇最大損耗最低的最佳組合。如圖8所示,選用FDMS8027S為Q1,F(xiàn)DMS7658AS為Q2時,Q1+Q2的最大損耗最低。
圖8 Q1和Q2總的損耗對比
快速設(shè)計高效可靠的同步降壓穩(wěn)壓器的工具:PowerSupplyWebDesigner
上述設(shè)計示例表明,在設(shè)計同步降壓穩(wěn)壓器時,為選擇最佳的Q1和Q2需進行大量繁瑣復(fù)雜的計算。為幫助工程師快速完成高效可靠的設(shè)計,安森美半導(dǎo)體提供了強大的在線設(shè)計平臺PowerSupplyWebDesigner,加速FET優(yōu)化,如圖9所示。
圖9PowerSupplyWebDesigner在線設(shè)計平臺
通過PowerSupplyWebDesigner里的SynchronousBuck功率回路損耗分析工具PowerTrainLoss,工程師可輕松對比合格MOSFET器件的數(shù)據(jù)及性能,自動排除超過TJ限制的器件,選擇設(shè)計裕量和工作溫度范圍,選擇單個或雙重封裝的MOSFET,根據(jù)額定電壓、電流或封裝篩選器件,添加并聯(lián)器件和柵極阻尼電阻,立即計算出不同的Q1+Q2組合的損耗,。在完成選定Q1和Q2后,工程師可獲得輸入電壓范圍和負載范圍內(nèi)功率回路的各類損耗和能效曲線,并根據(jù)各類曲線和功率回路能效匯總表針對不同的設(shè)計進行完整的分析、比較。最后,PowerSupplyWebDesigner可提供PNG格式的電路原理圖、Excel格式的器件清單、完整的PDF設(shè)計報告,工程師可在線保存,便于以后參考或修改。
4總結(jié)
為滿足行業(yè)高能效、高可靠性和高功率密度的設(shè)計趨勢,在進行同步降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計時,需從動態(tài)性能、能效設(shè)計等方面綜合考慮。通過仔細調(diào)整元器件值,能夠相對容易地實現(xiàn)優(yōu)化的動態(tài)性能,但處理和優(yōu)化MOSFET功耗的技術(shù)通常較為繁瑣復(fù)雜。安森美半導(dǎo)體的PowerSupplyWebDesigner可幫助簡化設(shè)計流程,加速MOSFET優(yōu)化選擇。
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