Power-1---同步降壓控制器

引言：前面DC-DC系列以基礎(chǔ)為主，且主要針對(duì)集成式DC-DC，本節(jié)開(kāi)啟電源的第二個(gè)系列，即Power系列，以分立式電源器件為主干內(nèi)容，本節(jié)主要講解外部電源開(kāi)關(guān)同步降壓控制器（Synchronous Step-Down Controller），即將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集成DC-DC器件里面的開(kāi)關(guān)MOS和同步MOS獨(dú)立分拆出來(lái)，置于器件外部，結(jié)構(gòu)層級(jí)分為兩部分：同步降壓控制器+外部開(kāi)關(guān)。

1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1-1所示，外部電源開(kāi)關(guān)同步降壓控制器即指第5部分，為1和2的合并體，3和4部分外置。

圖1-1：外部電源開(kāi)關(guān)同步降壓控制器結(jié)構(gòu)

如圖1-2所示是一個(gè)單相（單輸出）的外部電源開(kāi)關(guān)同步降壓器的結(jié)構(gòu)圖，頂部柵極驅(qū)動(dòng)器和底部柵極驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)MOS和同步MOS。這樣的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處就是輸出電流可以做到很大，外置MOS使得散熱非常好，控制器基本不發(fā)熱，當(dāng)選用MOS的RDS越小，整個(gè)電源效率越高，熱耗越小，散熱也只需要對(duì)MOS進(jìn)行處理，缺點(diǎn)就是整個(gè)供電模塊體積會(huì)變大，Layout要求也比較高。

圖1-2：?jiǎn)蜗鄦屋敵?/p>

TG：Top Gate Driver Output，頂部柵極驅(qū)動(dòng)器輸出。這是浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的輸出，其電壓擺動(dòng)等于INTVCC疊加在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓上。

BG：Bottom Gate Driver Output，該引腳驅(qū)動(dòng)GND和INTVCC之間的底部N溝道MOSFET的柵極。

SW：電感器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，該引腳的電壓擺動(dòng)是從低于接地的肖特基二極管（外部）電壓降到VIN。

INTVCC：內(nèi)部調(diào)節(jié)器輸出，作為上管VGS的增量電壓，需要使用較大容值（最低2.2uF）的低ESR鉭或陶瓷電容器將此引腳與GND解耦，且注意Boot電容的值。（傳送門：DC-DC-19：如何設(shè)計(jì)Buck變換中的自舉電路）

圖1-3：同步降壓控制器結(jié)構(gòu)圖

2.關(guān)鍵參數(shù)

1：Vin、Vout

2：最大開(kāi)關(guān)頻率f

3：最大輸出電流Iout

4：HG（TG）和LG（BG）上升時(shí)間、下降時(shí)間

5：HG（TG）和LG（BG）的啟動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)電流

6：最短開(kāi)啟時(shí)間

3.設(shè)計(jì)考慮項(xiàng)

電流檢測(cè)/監(jiān)控

控制器的電流監(jiān)控，可以使用DCR（電感電阻）檢測(cè)或高精度Rsense檢流電阻，目前兩種方案的選擇在很大程度上是在成本、功耗和精度之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡。DCR方案比較受歡迎是因?yàn)樗?jié)省了昂貴的檢流電阻，且避免了額外的功率損耗，特別是在大電流應(yīng)用中，但是檢流電阻為控制器提供了最精確的電流檢測(cè)。其他外部組件的選擇由負(fù)載特性來(lái)決定，并從選擇Rsense（如果使用Rsense）和電感器值開(kāi)始，接下來(lái)選擇功率MOSFET和肖特基二極管，最后選擇輸入和輸出電容器。

功率MOSFET和肖特基二極管（可選）的選擇

控制器必須選擇兩個(gè)外部電源MOSFET：一個(gè)N通道MOSFET用于頂部（主）開(kāi)關(guān)，一個(gè)N通道MOSFET用于底部（同步）開(kāi)關(guān)。

峰值到峰值的驅(qū)動(dòng)電平由INTVCC電壓設(shè)置，在啟動(dòng)時(shí)此電壓通常為5V，因此在大多數(shù)應(yīng)用程序中必須使用邏輯級(jí)閾值MOSFET。唯一的例外是，如果預(yù)期輸入電壓較低（VIN < 5V），則應(yīng)使用子邏輯電平閾值MOSFET（VGSth<3V），同時(shí)也要注意MOSFET的BVDSS規(guī)格，大多數(shù)邏輯級(jí)的MOSFET被限制在30V或更小。

功率MOSFET的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括Rdson、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流，米勒電容可以從MOSFET制造商的數(shù)據(jù)表上通常提供的柵極電荷曲線近似。當(dāng)控制器在連續(xù)模式下運(yùn)行時(shí)，頂部和底部MOSFET的占空比為：

主開(kāi)關(guān)占空比Dm=Vout/Vin，同步開(kāi)關(guān)占空比Ds=(Vin-Vout)/Vin，最大輸出電流下的功率損失：

其中δ為Rdson的溫度依賴性，Rdr（約2Ω）是MOSFET的Miller閾值電壓下的有效驅(qū)動(dòng)電阻，Vthmin是典型的MOSFET最小閾值電壓，f是工作頻率，Im是持續(xù)輸出電流。

兩個(gè)MOSFET都有I2R損失，而頂部的NMOS的Pm包含了一個(gè)額外的過(guò)渡損失項(xiàng)，這在高輸入電壓下是最高的。對(duì)于VIN<20V，高電流效率通常隨著更大的MOSFETS而提高，而對(duì)于VIN>20V，過(guò)渡損耗迅速增加，使用更低的Rdson實(shí)際上提供了更高的效率。當(dāng)頂部開(kāi)關(guān)負(fù)載比低時(shí)，或當(dāng)同步開(kāi)關(guān)接通時(shí)間接近100%時(shí)，同步MOSFET損失最大。（1+δ）通常以歸一化Rdson與溫度曲線的形式給出，但δ=0.005/°C可以作為低壓MOSFET的近似。

可選的肖特基二極管在兩個(gè)功率MOS傳導(dǎo)之間的死時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電，這可以防止底部MOSFET的體二極管打開(kāi)，在死時(shí)間存儲(chǔ)電荷，但需要一個(gè)反向恢復(fù)期，在高VIN下可能耗掉高達(dá)3%的效率。由于相對(duì)較小的平均電流，1A到3A肖特基一般較小比較合適，較大的二極管由于其較大的結(jié)電容而導(dǎo)致額外的躍遷過(guò)渡損耗。

最短開(kāi)啟時(shí)間

最小導(dǎo)通時(shí)間Tonmin是控制器能夠打開(kāi)頂部MOSFET的最小時(shí)間持續(xù)時(shí)間，它由內(nèi)部定時(shí)延遲和打開(kāi)頂部MOSFET所需的門充電決定。低占空比使用時(shí)可能接近這個(gè)最低準(zhǔn)時(shí)時(shí)間限制，應(yīng)注意確保：

如果占空比低于最小時(shí)間的范圍，控制器將開(kāi)始跳過(guò)周期，輸出電壓將會(huì)繼續(xù)被調(diào)節(jié)，但紋波電壓和電流將會(huì)增加。

4.開(kāi)關(guān)MOS和同步MOS選型

原則上開(kāi)關(guān)MOS和同步MOS選擇同一型號(hào)，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際情況不一致滿足性能要求也不會(huì)有什么問(wèn)題，這里選兩種MOS的考量點(diǎn)放在一起如下：

1：ID≥負(fù)載峰值電流Ipeak

2：VGSTHmax＜VGate

3：VDSS＞Vin

4：Min on和Min off＜計(jì)算值

5：溫升，Rdson

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圖1-4：NMOS-1特性

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圖1-5：NMOS-2特性