在轻载情况下非同步降压转换器的效率性能分析与比较

根据系统要求，电源设计人员必须在尺寸，效率，成本，温度，精度和瞬态响应方面做出许多权衡，然后才能选择合适的降压或降压DC/DC转换器应用。最近，满足能源之星规范或其他绿色模式标准的需求使能效在降压转换器中越来越受欢迎。因此，出于效率，密度和低成本的原因，同步降压转换器被广泛部署。但同步降压转换器在所有条件下都是最节能的选择吗？答案是不。在更高的占空比和更轻的负载条件下，非同步降压转换器可以以低成本提供更高的转换效率。因此，对于轻负载性能超过其他标准的应用，非同步降压转换器可能是比同步DC/DC解决方案更好的选择。

为了更好地理解使用非同步降压电路的优缺点，首先要了解同步和非同步拓扑的定义以及它们之间的关键差异，这一点很重要。在回顾了这些差异之后，本文研究了轻载时非同步降压转换器的效率性能，并将其与同类降压转换器在类似负载条件下的效率性能进行了比较。该比较使用德州仪器（TI）的同步转换器TPS54325和非同步转换器TPS54331完成。

非同步和同步拓扑结构传统上，开关电源转换器使用整流二极管来获得直流输出电压1，如图1所示。被称为非同步拓扑结构，整流二极管D1的正向压降对于转换器的总传导损耗，它是正向压降和正向传导电流的乘积。特别是对于低压，高电流转换器应用，该整流器传导功率损耗变得占总转换器损耗的更大百分比，从而降低降压转换器的效率。

图1：非同步降压拓扑结构使用整流二极管D1来获得直流输出电压。在低电压和高输出电流下，二极管的导通损耗占总转换器损耗的百分比更大。

通过用作为同步整流器（SR）的MOSFET Q2替换整流二极管D1，可以降低等效的正向压降，并降低相应的传导损耗¹（图2）。这是因为SR MOSFET的低导通电阻特性降低了欧姆损耗。但是，在较高电流下，MOSFET导通电阻的下降可能超过二极管的下降。然而，这种限制通常通过并联两个或更多个SR MOSFET来解决。在电流要求非常高（》 32 A）的应用中，并联两个SR MOSFET可以进一步降低导通电阻和相应的损耗。这种并联对于非同步拓扑的整流二极管是不实用的。

图2：在同步整流中，同步整流器（SR）MOSFET Q2取代整流二极管以降低传导损耗。

关键差异为了展示非同步降压转换器在特定应用中的优势，例如轻负载条件，德州仪器产品营销经理Rich Nowakowski和系统工程师Ning Tang将两种转换器拓扑的效率性能进行了比较在通常在消费者设备中发现的典型负载点（POL）应用中。结果显示在他们的文章“同步与非同步降压转换器的效率”中。如上所述，为此比较选择的部件是同步降压转换器TPS54325和非同步版本TPS54331。同步TPS54325提供集成的高端MOSFET Q1，导通电阻为120mΩ，低端SR功率MOSFET Q2片上，导通电阻为70mΩ，非同步版本TPS54331仅配备高端MOSFET Q1集成在片上，典型导通电阻为80mΩ。在这种情况下，二极管D1位于该转换器芯片外部，如图3所示。为此比较选择的输入电压轨为12 VDC，输出电压低于3 A时输出电压为1至3.3 VDC。

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图3：非同步降压转换器TPS54331仅带有集成在片内的高端MOSFET Q1，典型导通电阻为80mΩ。如图所示，二极管D1在该降压转换器芯片的外部。

在刚刚提到的文章中（参见参考文献2），TI工程师提供了一些选择外部整流二极管D1的技巧。根据本说明，在为非同步降压转换器选择整流二极管D1时，电源设计人员必须考虑三个关键规范。这些包括反向电压，正向电压降和正向电流。虽然额定反向电压必须至少比开关节点的最大电压高2 V，但正向压降应该很小，以提高效率。此外，TI app文件指出峰值电流额定值必须大于最大输出电流加上峰峰值电感电流的一半。 TI还提醒说，在低输出电压下，D1作为钳位二极管工作，比高端MOSFET传导更多电流。第四个考虑因素是设计人员必须确保所选二极管的封装能够处理功耗。

考虑到这些要点，TI工程师为非同步转换器TPS54331选择了Diodes Inc.二极管B340A。它提供40 V的反向额定电压，0.5 V的正向压降和3 A的正向电流额定值。根据所需的输出电压VOUT，表1提供了非同步降压转换器的无源元件值图3中的电路。

VIN（V）VOUT（V）FSW（kHz）LO（μH）CO RO1（KΩ）RO2（KΩ）C2（pF）C1（pF）R3（KΩ）12 5 570 6.8陶瓷33μFx2101.91 39 4700 49.9 12 3.3 570 6.8陶瓷47μFx210 3.24 47 1000 29.4 12 1.8 570 4.7陶瓷100μF108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3陶瓷100μFx210 80.6 56 5600 29.4 12 5 570 6.8铝330μF/160mΩ101.91 68 120 29.4 12 3.3 570 6.8铝470μF/160mΩ103.24 82 220 10 12 1.8 570 4.7 SP100μF/15mΩ108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3 SP330μF/15mΩ1080.6 100 1200 49.9

表1：图3中基于TPS54331的降压转换器电路的无源元件值。

测量效率性能

由于效率由总转换器损耗决定，包括co提示，开关和静态电流，用于计算高侧和低侧MOSFET中这些损耗的公式在TI论文中给出。它还提供了计算非同步降压电路整流二极管功耗的公式。这些方程清楚地表明，有几个因素会影响非同步和同步降压转换器的效率，例如漏极 - 源极电阻，漏极 - 源极正向电压，占空比，频率和功率MOSFET上升和下降时间。

由于电感器的交流和直流损耗以及输出电容的等效串联电阻也会导致整体转换器损耗，因此TI工程师为这两种转换器电路配置了相同的LC滤波器。根据TI应用期刊文章中提供的结果，尽管两个器件的固定开关频率略有不同，但影响并不是改变该演示的结论.2

对于12 V的直流输入电压，测量效率图4和图5绘制了两个降压转换器在1.5和2.5 V直流输出电压下的性能。图4显示，在满负载时，基于TPS54325的同步电路在1.5 V输出时提供更高的效率，因为它具有低占空比（尽管TPS54325具有高端漏极 - 源极电阻，但正向压降为0.5 V的非同步降压转换器的功率二极管比同步电路的70mΩSRMOSFET消耗的能量更多。但是，在轻负载时，非同步转换器优于同步解决方案。

图4：在低占空比时，同步降压转换器在满负载时提供更高的效率，但在低负载时效率低于非同步电路。然而，当12 V输入的2.5 V输出时占空比增加到21％时，非同步转换器的低端整流二极管的功耗显着下降，从而提高了所有负载的效率。图5比较了非同步转换器TPS54331与TPS54325同步解决方案的效率性能。结果表明两个转换器的满载效率几乎相同，而在低负载时，非同步转换器提供了更高效的性能。

图5：在具有12 V输入的2.5 V输出时，与TPS54325的同步解决方案相比，非同步降压转换器TPS54331在较轻负载时的效率性能要高得多。

除了在轻负载下采用非连续导通模式（DCM）外，非同步转换器TPS54331还采用称为Eco模式的脉冲跳跃技术，可提高轻载效率。这种工作模式可以减少功率MOSFET的开启次数，从而降低开关损耗。总之，本文已经表明同步降压转换器并不总是更有效，并且非同步效率可以在轻负载和更高占空比时优于同步转换器。