使用合适的DC-DC转换器提高系统性能

您是否知道，环境温度每升高 10°C，每个组件的使用寿命就会缩短 50%？1电源的掉线或差异会导致过早故障，甚至导致系统中的部件完全油炸？事实上，大多数人都同意，功率密集型应用需要，实际上必须有持久和高效的电源。但是什么拓扑？同步还是异步？让我们看一下每种拓扑的权衡。

为您的设计提供动力的选项

每个硬件系统都需要一个电源，电源的电压电平通常高于应用规定的电压电平。假设您有一个 9V 电源输入，需要将其降至 5V 才能运行系统。您有一些选择：

具有一些基本调节的简单分压器，例如齐纳二极管。齐纳及其限流电阻将 9V 电压降至 5V，而 4V 电压降至齐纳二极管的限流电阻两端。这个动作会产生热量并浪费能量。

一个 5V 线性稳压器 （LDO）。同样，你输入 9V 并输出 5V;LDO 两端的电压降为 4V。如果电路消耗1A电流，则LDO消耗4W功率。你也可以说4W浪费的功率被倾倒为热量。

直流-直流转换器。这里，开关稳压器基本上对输出电感和电容进行脉宽调制（即使用脉宽调制，PWM）。当输出电压达到5V时，PWM占空比降至几乎为零。开关稳压器消耗的电流非常小，因此功耗很小。这绝对是最有效的设计选择。

DC-DC 转换器的输入电压可以是任何值，标准为 6V、9V、12V、24V、48V。电力变压器将 120VAC 降压至标准电压水平，然后整流、滤波和调节至直流电压，用于商业或工业用途。例如，电话系统建立在48V上，该值由电池备份系统的电压确定。如果交流电源出现故障，备用电池系统将无缝启动。便携式设备是另一回事。这些设备通常由已经是直流电的电池供电，但需要对其进行调节。由于电池电压会在一段时间内下降，因此您需要提高其输出电压并保持调节。因此，如果您的系统以3.3V运行，即使电池电压下降，您也需要将其保持在3.3V。

在设计电源时，您可以选择“看似”的低成本解决方案，例如上面提到的简单分压器或齐纳电路。请注意，我们说“看起来是”低成本，因为这仅从物料清单的角度得出。这些方法具有功率损耗的隐性和附加成本，这会导致高散热并缩短系统中电气元件的使用寿命。同时，LDO具有非常低的噪声输出，但其缺点包括高功耗、大压差和电池寿命缩短。

如今，设计人员转向 DC-DC 转换器来实现效率、热量、精度、瞬态响应和成本的最佳输出。直截了当，是的。但是，实现最佳 DC-DC 电源系统设计的道路可能就像在没有地图的情况下导航雷区一样复杂。转换器的工作温度限制了其最大输出功率，并且随着工业设备外形尺寸的缩小，工作温度也在上升。此外，大多数设备通常很少或没有强制冷却/气流。那么，您最好的 DC-DC 设计选项是什么？

DC-DC 设计选项：同步或异步拓扑

它们之间需要权衡取舍。异步拓扑是一种较旧的设计，以外部肖特基二极管两端的功率损耗表示。这种功率损耗等同于效率下降。这里推荐使用同步拓扑，因为它提供高效率，并通过集成高效的MOSFET适合更紧凑的外形尺寸。这种根本差异如图1所示，该图1比较了异步转换器和集成度更高的同步解决方案之间的结构差异。

图1.异步 DC-DC 转换器拓扑（左）使用外部肖特基二极管来调节电压。同步拓扑（右）集成了一个MOSFET来取代肖特基二极管。

考虑一下电源效率。近年来，模拟 IC 供应商推出了同步 DC-DC 转换器，以提高使用其外部肖特基二极管的异步设计损耗的功率效率。现在，同步转换器集成了一个低侧功率MOSFET，以取代外部高损耗肖特基二极管。低侧MOSFET的功耗影响R上而二极管V两端的正向压降D确定肖特基二极管的功率损耗。如果两种设计的电流水平保持不变，则通常MOSFET两端的压降低于二极管两端的压降，从而降低MOSFET的功耗。

在异步解决方案中，二极管两端的功耗为：

PD= VD× I外× （1 – V外/V在)

在同步解决方案中，MOSFET 两端的功耗为：

PCE1= R上× I2外× （1 – V外/V在)

然而，有意见认为，异步降压转换器在较轻的负载和高占空比下提供更高的效率，2而且似乎没有一个转换器可以在轻负载到重负载下提供最佳效率。电力系统设计人员是否再次陷入众所周知的“两难之角”？3

要回答这个问题，请考虑异步转换器在轻负载下实现高效率性能的主要动力。在异步转换器中，电感电流仅沿一个方向流动，永不变为负;在同步转换器中，电流双向流动，这是一个缺点。

图2.同步转换器与非同步转换器中的电流。

为了克服同步转换器中的这种双向电流，引入了不同的工作模式，为轻负载工作创建“伪异步”模式。现代 DC-DC 转换器支持三种模式（图 3）：

PWM @ CCM：连续导通模式下的脉宽调制。在这里，转换器作为恒定频率工作;我L被允许去负数。此模式允许转换器快速响应任何负载变化，甚至低至零负载，并且仍然将输出电压纹波降至最低。尽管如此，PWM @CCM模式在轻负载时效率较低。

PWM @ DCM：不连续导通模式下的脉宽调制。这种方法还具有恒定频率的特点，但通过防止 IL从负数。它类似于在轻负载时禁用负电感电流的异步解决方案。

休眠模式的 PFM：休眠模式下的脉冲频率调制。这种方法通过防止L从变为负值并关闭两个FET，到轻负载时的跳脉冲。在跳过期间，转换器进入休眠状态，关闭未使用的内部电路以节省静态电流。该模式可实现最佳效率，提供最高的轻负载效率，并且仅牺牲略高的输出电压纹波。

图3.Maxim Integrated的喜马拉雅DC-DC降压转换器中的多模操作。

当负载电流为中等到满负载时，所有模式的工作方式相同。当负载电流降低到电感电流纹波值的一半以下时，就会出现差异。

您的系统是否预计大部分时间处于待机状态（即低负载运行），并且延长电池寿命是否至关重要？然后选择PFM模式，因为它提供最高的轻负载效率。但是，PFM模式有一个警告：检查以确保较高的输出纹波和较慢的瞬态响应不会在待机期间对系统性能产生不利影响。

轻负载瞬态性能在您的应用中是否至关重要？那么PWM @ CCM是您的最佳选择，因为它提供了最佳的瞬态响应，甚至低至零负载。

PWM @ DCM 模式在其他两种模式之间提供了合理的权衡。

结语

技术在前进。通过用集成的高效MOSFET取代外部肖特基二极管以及多模操作，当今的同步解决方案可在最紧凑的设计中提供卓越的效率。现在是时候采用新的同步建模技术来提高下一个设计的电源性能了。它更简单，更酷，更好。

审核编辑：郭婷