降压转换器拓扑结构简析1

降压转换器

从今天开始简单解析一些常见的拓扑结构和控制方法，首先从降压转换器开始。

顾名思义，降压转换器只能产生比输入电压更低的平均输出电压。具有降压转换器开关波形的基本原理图如图1所示。

图1. 降压转换器结构与工作原理

在降压转换器中，开关管（Q1）与输入电压源VIN串联。输入源VIN通过开关管和电感和电容组成的低通滤波器为输出供电。

工作原理

在稳定工作状态下，当开关导通一段TON时，输入为输出和电感(L)提供能量。在TON期间，电感电流流过开关，VIN和VOUT之间的电压差施加到电感，如图1(C)所示。因此，电感器电流IL从其当前值IL1线性上升到IL2，如图1(E)所示。

在TOFF期间，当开关断开时，电感器电流继续沿相同方向流动，因为电感器内的存储能量继续提供负载电流。二极管D1在Q1关断期间(TOFF)完成电感器电流的续流；因此，它被称为续流二极管。在此TOFF期间，输出电压VOUT反向施加在电感上，如图1(C)所示。因此，电感电流从其当前值IL2减小到IL1，如图1(E)所示。

如图中（E）所示，在这种情况下电感的电流是连续的，在一个开关周期（TS）内永远不会达到零，这种工作模式称为连续导通模式。在连续导通模式中，输出和输入电压之间的关系由公式1给出，

公式1：降压转换器VOUT / VIN关系

其中D被称为占空比，由公式2给出，

公式2：占空比

如果输出与输入电压之比小于0.1，则建议选择两级的降压转换器，这意味着在两次降压操作中降压，因为压差太大会导致器件应力过大，效率会降低很多。虽然降压转换器可以工作在连续导通模式下也可以是非连续导通模式下，但它的输入电流总是不连续的，如图1(D)中所示。这导致比其他拓扑结构更大的电磁干扰（EMI）滤波器。

电感值的选择

在设计降压转换器时，总是需要在电感和电容尺寸选择之间进行权衡。

较大的电感值意味着多次转向磁芯，但在输出电容上可以看到较小的纹波电流（<满载电流的10％）; 因此，电感上的损耗会增加。此外，较小的纹波电流使电流模式控制几乎不可能实现（有关电流模式控制技术的详细信息，请参阅“控制方法”）。因此，在转换器中可以观察到较差的负载瞬态响应。

较小的电感值会增加纹波电流。这使得电流模式控制的实现更容易，结果转换器的负载瞬态响应得以改善。但是，高纹波电流需要低等效串联电阻（ESR）输出电容，以满足峰峰值输出电压纹波要求。通常，为了实现电流模式控制，电感器处的纹波电流应至少为满载电流的30％。

前馈控制

在降压转换器中，通过引入输入电压前馈控制，可以最小化输入电压变化对输出电压的影响。与使用模拟控制方法相比，使用具有输入电压感应的数字控制器时，很容易实现前馈控制。在前馈控制方法中，在输入电压的变化实际上影响输出参数之前，一旦在输入电压中检测到任何变化，控制器就开始采取适当的自适应动作，我们后续讲到的峰值电流模式控制就有这种前馈特性。

同步降压转换器

当输出电流要求高时，续流二极管D1上的过多功率损耗限制了可以实现的最小输出电压。为了减少高电流损耗以及实现更低的输出电压，续流二极管可由具有极低导通状态电阻RDSON的MOSFET代替。该MOSFET与降压MOSFET同步导通和关断。因此，这种拓扑结构称为同步降压转换器。此同步MOSFET需要栅极驱动信号，它是降压开关栅极驱动信号的补充。

因为MOSFET可以在任一方向上导通; 这意味着如果由于轻负载导致电感中的电流达到零，则应立即关闭同步MOSFET。否则，由于输出LC谐振，电感电流的方向将反转（在达到零之后）。在这种情况下，同步MOSFET则会充当输出电容的负载，并通过MOSFET中的RDSON（导通状态电阻）消耗能量，导致在非连续工作模式下功率损耗增加（电感电流在一个开关周期达到零）。如果降压转换器电感器设计用于中等负载，但需要在无负载和/或轻负载下运行，则可能发生这种情况。在这种情况下，如果在电感器达到零之后没有立即关断同步MOSFET，则输出电压可能会低于调节限值。

多相同步降压转换器

设计单个同步降压转换器以在低输出电压下提供超过35安培的负载电流几乎是不切实际的。如果负载电流要求超过35-40安培，通常需要并联数个转换器以提供负载。

为了优化输入和输出电容器，所有并联转换器在相同的时基上运行，并且每个转换器在从前一个转换器开始的固定时间或相位之后开始切换。这种类型的转换器称为多相同步降压转换器。图2显示了多相同步降压转换器的结构。固定时间或相位由时间段/n或360/n给出，其中“n”是并联的转换器的数量。

输入和输出电容器的设计基于每个转换器的开关频率乘以并联转换器的数量。输出电容看到的纹波电流减少“n”倍。如图2(E)所示，与图1(D)所示的单个转换器相比，多相同步降压转换器汲取的输入电流是连续的，具有更小的纹波电流。因此，在多相同步降压转换器的情况下，较小的输入电容器能满足设计要求。

图2：多相同步降压转换器结构与工作原理