降壓穩(wěn)壓器的效率／尺寸權(quán)衡

作者：Timothy Hegarty

作為一名應(yīng)用工程師，我知道降壓穩(wěn)壓器的實(shí)施不可避免地要涉及效率與尺寸的權(quán)衡。盡管這一原理適用于眾多開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 拓?fù)洌?dāng)應(yīng)用需要低輸出電壓和高輸出電流（例如 1V 和 30A）時(shí)，這一原理就不一定適用了，因?yàn)檫@需要可平衡效率與尺寸的小型電源解決方案。

高效率是重要的性能基準(zhǔn)，不僅可減少功率損耗與組件溫度上升，而且還可在給定氣流與環(huán)境溫度條件下帶來(lái)更多有用功率。從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看，低開(kāi)關(guān)頻率非常具有誘惑力，但同時(shí)需要大型濾波器組件來(lái)滿足輸出紋波與瞬態(tài)響應(yīng)等目標(biāo)規(guī)范的要求，因此成本和尺寸會(huì)隨之增加。

專(zhuān)門(mén)用于電源管理的 PCB 面積是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的一個(gè)巨大制約條件。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)回顧一下高開(kāi)關(guān)頻率的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首先，電感和電容需求會(huì)隨頻率上升而降低，從而可實(shí)現(xiàn)更緊湊的 PCB 布局以及更小的尺寸外形。更低的電感不但可實(shí)現(xiàn)更快的大型信號(hào)電流變化以及更高的控制環(huán)路帶寬，而且還可實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最大環(huán)路帶寬是開(kāi)關(guān)頻率的 20%。最后，在較高頻率下在組件選擇方面會(huì)出現(xiàn)一些有趣的選項(xiàng)。

例如，我們可以看看這款穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，其可通過(guò)仔細(xì)選擇組件實(shí)現(xiàn)最佳的效率／尺寸／成本。

（1） 電感器 — 盡管鐵粉芯電感器或組合鐵芯電感器可在低頻率下提供很好的性能，但更高的鐵芯損耗會(huì)否定其頻率超過(guò) 500kHz 左右時(shí)的價(jià)值定位。在這一點(diǎn)上，超低 DCR 鐵氧體磁性材料更容易實(shí)現(xiàn)較低的銅損耗和鐵芯損耗。注意，鐵芯損耗相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易測(cè)量，只需關(guān)注轉(zhuǎn)換器空載輸入電流即可。采用單匝訂書(shū)針形繞組的鐵氧體電感器目前提供廣泛的現(xiàn)成選項(xiàng)，而如果只需要一個(gè)繞組圈數(shù)，就很容易實(shí)現(xiàn)低于 1mΩ 的 DCR！

（2） PWM 控制器 — 現(xiàn)在，如果設(shè)計(jì)特別需要鐵氧體芯電感器的硬飽和特性，那么一定不能超過(guò)電感器的飽和電流。這就需要一款可充分利用寄生電路電阻實(shí)現(xiàn)精確無(wú)損電流傳感的 PWM 控制器（閱讀我之前的博客《在大電流轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)精確而無(wú)損的電流傳感》，了解有關(guān)該主題的更多詳情）。其它主要特性包括高效率柵極驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)程 BJT 溫度傳感以及快速誤差放大器等。

（3） MOSFET — 功率半導(dǎo)體器件是改善效率與尺寸的基礎(chǔ)。以功率塊 NexFET? 系列為例，其被廣為稱(chēng)道的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)垂直疊加的方式創(chuàng)新地將高側(cè)及低側(cè) MOSFET 進(jìn)行聯(lián)合封裝。在頻率比例損耗值得關(guān)注時(shí)，需要低 QG、QRR 與 QOSS 電荷。此外，低 RDS（ON）、大電流銅夾、開(kāi)爾文柵極連接以及接地選項(xiàng)卡也很重要。

（4） 電容器 — 在較高頻率下，陶瓷電容器要比電解電容器更受青睞。大量輸出能量存儲(chǔ)現(xiàn)已變得非常多余了，因?yàn)榭刂骗h(huán)路會(huì)對(duì)瞬態(tài)需求作出迅速響應(yīng)。陶瓷產(chǎn)品不僅可提供更低的 ESR，而且還可提供更低的 ESL，可緩解由電感分割效應(yīng)與低濾波器電感引起的輸出紋波。

還有哪些其它因素會(huì)影響穩(wěn)壓器的效率與尺寸？近期流行的主題包括 GaN MOSFET、電源系統(tǒng)封裝 （PSIP） 以及片上電源系統(tǒng) （PSOC） 等。請(qǐng)告訴我您的想法？