外部開(kāi)關(guān)與集成開(kāi)關(guān)

 

降壓轉換器解決方案中有許多集成開(kāi)關(guān)和外部開(kāi)關(guān)，后者通常被稱(chēng)為步降或降壓控制器。這兩種開(kāi)關(guān)具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在兩種開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行選擇時(shí)必須要考慮到其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

許多集成開(kāi)關(guān)都具有組件數量少的優(yōu)點(diǎn)，這一優(yōu)點(diǎn)使這些開(kāi)關(guān)擁有較小的尺寸，可以用于許多低電流應用。由于其集成性，在表現出良好 EMI 性能的同時(shí)，它們均可以在高溫或其他外部可能出現的影響條件下得到保護。但是它們也有不足之處，即電流和散熱極限問(wèn)題;而外部開(kāi)關(guān)則提供了更大的靈活性，電流處理能力僅受外部 FET 選擇的限制。在負極側，外部開(kāi)關(guān)需要更多的組件且必須得到保護，以免受到潛在問(wèn)題的損壞。

 

為了處理更高的電流，開(kāi)關(guān)也要更大些，這就使得集成更加昂貴，因為需要占用芯片更大的寶貴空間并且需要采用更大的封裝。另外功耗問(wèn)題也是一個(gè)難題。因此，我們可以得出這樣的結論：對于較高的輸出電流(通常高于 5A)而言，外部開(kāi)關(guān)是上佳之選。

 

同步整流與異步整流

 

僅具有一個(gè)開(kāi)關(guān)的異步或非同步整流器降壓轉換器在低位通路中需要一個(gè)續流二極管，而在具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的同步整流器降壓轉換器中，第二個(gè)開(kāi)關(guān)取代了上述續流二極管(見(jiàn)圖 1)。與同步解決方案相比，異步整流器具有可提供較為便宜的解決方案的優(yōu)點(diǎn)，但是其效率不是很高。

 

圖 1 SMPS—異步和同步整流

 

利用一個(gè)同步整流器拓撲，并把一個(gè)外部肖特基二極管與低位開(kāi)關(guān)并聯(lián)將可以獲得  的效率。相對于肖特基二極管，由于在“開(kāi)啟”狀態(tài)下存在一個(gè)較低的壓降，因此這種低位開(kāi)關(guān)的更高復雜度提高了效率。在停滯時(shí)間期間(兩個(gè)開(kāi)關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài))，與 FET 內部背柵二極管相比，外部肖特基二極管具有更低的壓降性能。

 

外部補償與內部補償

 

一般來(lái)說(shuō)，采用外部開(kāi)關(guān)的降壓控制器可提供外部補償，因為他們所適合的應用非常廣泛。外部補償有助于控制環(huán)路適應各種外部組件，如FET、電感以及輸出電容。

 

對于采用集成開(kāi)關(guān)的轉換器而言，一般會(huì )同時(shí)用到外部補償和內部補償。內部補償實(shí)現了極快的工藝驗證周期以及較小的 PCB 解決方案尺寸。

 

內部補償的優(yōu)勢可以概括為易于使用(因為只需要對輸出濾波器進(jìn)行配置)、可進(jìn)行快速設計，且組件數量較少，因此可提供低電流應用小尺寸解決方案。其缺點(diǎn)就是靈活性較差，且輸出濾波器必須服從于內部補償。而外部補償提供了更大的靈活性，可以根據所選的輸出濾波器對補償進(jìn)行調整，同時(shí)，對于較大的電流而言，該補償可以是一個(gè)較小的解決方案，但是這種應用更為困難。

 

電流模式控制與電壓模式控制

 

在圖2所描述的拓撲結構中，仍然存在許多可以進(jìn)一步差異化的方面。例如，調節環(huán)路的拓撲以及所使用的開(kāi)關(guān)類(lèi)型可以是不同的。

 

圖 2 降壓轉換器拓撲結構

 

調節器本身可以以電壓模式或電流模式進(jìn)行控制。在電壓模式控制時(shí)，輸出電壓為控制環(huán)路提供了主反饋，且前饋補償通常是通過(guò)使用輸入電壓作為一個(gè)次級控制環(huán)路來(lái)實(shí)施的，以增強瞬態(tài)響應行為;在電流模式控制時(shí)，電流為控制環(huán)路提供了主反饋。根據控制環(huán)路的不同，這一電流可以是輸入電流、電感電流或輸出電流。次級控制環(huán)路為輸出電壓。

 

電流模式控制具有可提供快速反饋環(huán)路響應的優(yōu)點(diǎn)，但是要求具有斜率補償，需要開(kāi)關(guān)噪聲濾波以進(jìn)行電流測量，且在電流檢測分路上存在功率損耗。電壓模式控制不需要斜率補償，并且可提供具有前饋補償的快速的反饋環(huán)路響應，雖然在這里推薦使用瞬態(tài)響應增強性能，但是誤差放大電路可能要求更高的帶寬。

 

電流和電壓模式控制拓撲結構均適合于為了用于大多數應用進(jìn)行的調整。在許多情況下，電流模式控制拓撲都要求有一個(gè)額外的電流環(huán)路檢測電阻器;具有集成前饋補償的電壓模式拓撲實(shí)現了幾乎相同的反饋環(huán)路響應，且無(wú)需電流環(huán)路檢測電阻器。此外，前饋補償還簡(jiǎn)化了補償設計。許多單期的開(kāi)發(fā)工作都是利用電壓模式控制拓撲來(lái)實(shí)現的。

 

開(kāi)關(guān)、NMOSFET與PMOSFET

 

當前常用的開(kāi)關(guān)均為增強型 MOSFET，并且有許多步降/降壓轉換器和控制器都采用了 NMOSFET 和 PMOSFET 驅動(dòng)器。與 PMOSFET相比，NMOSFET 通常提供的性?xún)r(jià)比更高，該器件上的驅動(dòng)電路也更為復雜。為了開(kāi)關(guān)一個(gè) NMOSFET，需要一個(gè)比該器件輸入電壓更高的柵極電壓。諸如自舉或充電泵的技術(shù)必須是集成的，增加了成本，也降低了 NMOSFET   初的成本優(yōu)勢。

 

示例應用

 

這兩種應用方案中的主芯片為T(mén)I推出的 TPS40200異步降壓控制器和 TPS5410/20/30 異步降壓轉換器，它們專(zhuān)門(mén)針對車(chē)載行業(yè)苛刻的要求和 AEC Q100 規范而開(kāi)發(fā)。

 

TPS40200為一個(gè)外部 PMOSFET 提供集成的驅動(dòng)器，從而提供了一款成本極低的解決方案。它具有一個(gè)異步整流器、外部補償和具有前饋補償功能的電壓模式控制。該拓撲允許通過(guò)選擇外部 PMOSFET 對輸出電流能力進(jìn)行調整，與此同時(shí)，集成的電流限制功能實(shí)現了對外部 PMOSFET 的保護以防止出現過(guò)流。外部補償有助于適應電感和輸出電容器更寬范圍的設置。這就實(shí)現了成本和效率的進(jìn)一步優(yōu)化。

 

在圖3所示的設計方案中， TPS40200 降壓轉換器在 3.3V 時(shí)可提供 2A 的電流，并實(shí)現 90% 以上的效率(在 5V 時(shí)，可實(shí)現 94% 的效率)。

 

在車(chē)載環(huán)境中，該組件所提供的重要特性包括：寬輸入電壓范圍(4V~52V)、寬工作溫度范圍(TJ 為-40℃~+150℃)、與外部頻率同步的能力，以及可編程短路保護特性。

 

異步降壓轉換器TPS5410/20/30具有一個(gè)集成的NMOSFET開(kāi)關(guān)、一個(gè)異步整流器，并提供了內部補償，以及具有前饋補償的電壓模式控制。

 

除了輸出濾波器以外，  必須的外部組件就是位于低位通道上的續流肖特基二極管。我們對集成補償與集成的 NMOSFET 進(jìn)行了調整，以實(shí)現 TPS5410 高達 1A 的連續輸出電流、TPS5420 2A 的電流以及 TPS5430 高達 3A 的電流。由于內部補償的采用以及較少的組件數量，該器件實(shí)現了非常短的工藝驗證周期以及非常小的 PCB 解決方案尺寸。

 

和 TPS40200 一樣，TPS5410/20/30 也提供了重要的車(chē)載環(huán)境特性。由于采用了內部補償和電源開(kāi)關(guān)，該器件具有寬的輸入電壓范圍(5V~36V)、寬的工作溫度范圍 (TJ 為-40℃~+150℃)、短路保護功能以及較少的組件數量。

 

結語(yǔ)

本文對開(kāi)關(guān)模式電源的拓撲結構進(jìn)行了對比。對當前新型 SMPS 降壓轉換器和控制器解決方案作了詳細說(shuō)明，以幫助設計人員在降低信息娛樂(lè )、車(chē)身、傳動(dòng)系統和底盤(pán)應用車(chē)載系統成本的同時(shí)進(jìn)行創(chuàng )新并增加市場(chǎng)機會(huì )。