如果你問一個典型的手機用戶什么更重要，一次充電后能夠連續(xù)通話更長時間，或者在待機數天后還剩一定百分比的電池以進行快速通話，我懷疑兩者都會被認為是重要的。畢竟，效率是現代電源設計中節(jié)能的口號，但在輕負載或待機條件下效率的變化會影響便攜式設備的電池充電可用性，并且對用戶同樣重要。

為電子設備供電的 DC-DC 轉換器不會耗盡便攜式設備中的電池，這可以在這兩種情況下發(fā)揮重要作用。一個簡單的設計在滿載時可能具有 95% 或更高的良好標題轉換效率，但待機損耗可能會有很大差異，直接影響您的手機在幾天后免費撥打緊急電話的可用性。在 DC-DC 中，在輕負載下，損耗往往是與實際負載功率無關的固定值，通常來自“管理”功能或功率 MOSFET 柵極的充電和放電，與它們是否通過漏極電流無關。在這些條件下的效率應該盡可能高，但實際數字沒有那么意義；如果您的待機負載為 1mW，固定轉換損耗為 1mW，您可能會很高興，

不過，固定損失的絕對值很重要；在系統級別，如果將其減半至 0.5mW，手機的通話時間可能只增加幾秒鐘，但它可能會使以天計算的待機可用時間增加一倍。降低空載和待機損耗的努力當然是值得的。

同步是要走的路

可以肯定的是，便攜式設備中的“降壓”轉換器通常需要使用“同步整流”的最佳可用技術來實現高效率。降壓轉換器由一個串聯開關 SW1 組成，該開關將電流脈沖傳遞到電感器，而第二個開關在串聯開關關閉時允許連續(xù)電流流向輸出。脈沖寬度調制，以及電感器和后續(xù)電容器的平均效應，降低并調節(jié)輸出電壓。

圖 1. 降壓轉換器外形

用于第二個開關 SW2 的“飛輪”二極管是一種簡單的解決方案，通過“換向”在正確的時間自動導通，當串聯開關關閉時，電感器中存儲的能量的作用會導致二極管的正向偏置。不過，二極管具有顯著的正向壓降，在部分開關周期內與負載串聯。如果負載電壓低，則此二極管壓降占總壓降的很大一部分，導致效率低下。當二極管在開關周期中的導通時間較長時，在高輸入電壓下效果更差。即使是肖特基二極管也難以在較高電流下提供不錯的效率水平，其中它們的電壓降增加到與標準快速恢復類型相似的水平。

只要開關接近理想且電壓降很小，用可控開關替換二極管（稱為“同步整流”）始終是最佳解決方案。早期的電路使用雙極晶體管來擊敗二極管，但需要復雜、耗電的電流驅動電路來抵消其優(yōu)勢，尤其是在輕負載時。

輸入 MOSFETS 作為開關，它需要的驅動功率要少得多。高 Rds（on） 數據最初意味著，在較高電流下，它們的壓降與二極管相當，但隨著技術發(fā)展到亞毫歐器件，它們已經形成了自己的特色（圖 2）。

圖 2. MOSFET 同步整流器

高負載下的高效率現在很容易實現，但仍然需要注意那些長期損耗。例如，現代降壓控制器可能以 3MHz 的頻率工作，但對于總柵極電荷僅為 1nC 的器件，僅以這種速度在 0 到 5 伏之間切換 MOSFET 柵極就會耗散 15mW。功率不被柵極本身消耗，它消耗在驅動器和串聯柵極電阻中，并且與脈沖占空比無關。假設轉換器中至少有兩個開關，問題就很明顯了。

PFM 或“脈沖跳躍”有助于待機損耗

在輕負載時，降壓轉換器不需要在高頻下工作；所需的能量可以通過低重復率的短脈沖提供。通過強制執(zhí)行此操作，可以顯著降低固定開關損耗 - 功耗與開關事件的數量或每秒的柵極充電/放電周期成正比?？刂破饔行У剡M入“恒定開啟時間，可變關閉時間”模式。在負載最輕的情況下，關閉時間可能會很長，因此在此期間禁用某些控制器內部電路實際上是可行的，因為它無關緊要，從而節(jié)省更多電力。

在輕負載時禁用同步整流

同步整流具有雙向傳導的優(yōu)勢，可在任何負載下提供連續(xù)的電感電流 （CCM），這有助于您的環(huán)路補償設計。不過，有意禁止同步 MOSFET 在輕負載時傳導反向電流，從而強制轉換器進入非連續(xù)傳導模式 （DCM） 可能是一個優(yōu)勢。如果您可以保持環(huán)路穩(wěn)定性，則凈損耗可以更低，因為 MOSFET 在開關周期的較小部分導通。如果轉換器以任何方式處于脈沖跳躍模式，則增益更加靜止。圖 3 顯示了您將看到的波形。

圖 3. 不同的降壓轉換器開關模式

Maxim MAX17501 控制器就是一個很好的例子，它融合了這些特性。它可以提供 500mA 的負載電流，峰值效率優(yōu)于 90%，輸入電壓高達 60V，固定輸出電壓為 3.3V 或 5V。脈沖頻率模式發(fā)生在小于約 60mA 時，在零負載時，開關電流在 20°C 時降至小于 100μA。作為比較，如果在空載時可選擇強制使用固定頻率 PWM，則電流消耗會接近 5mA。在某些應用中，您可能希望通過這種方式來保持開關頻率恒定和噪聲水平更可預測。

當然，如果負載電流真的為零，則下游電路不工作，您可以選擇完全關閉控制器。在這種情況下，電流小于 1μA。好吧，效率是 0%，但我想你不會介意的。

審核編輯：郭婷