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同步拓扑还是非同步拓扑?使用合适的DC-DC变换器提高系统性能

来源:analog 发布时间:2023-07-07

摘要: 您知道环境温度每升高10°C,每个组件的寿命就会减少50%吗?(1)电源下降或偏差可能导致系统中的过早故障,甚至完全烧毁部件。事实上,大多数人都同意,电力密集型应用需要,而且必须拥有持久高效的电源。但是什么拓扑结构呢?同步还是非同步?让我们看看每种拓扑的优缺点。

为您的设计提供动力的选项


每个硬件系统都需要一个电源,电源的电压水平通常高于应用规定。假设您有一个9V的电源输入,需要将其降至5V以运行系统。你有一些选择:

  1. 具有一些基本调节的简单分压器,如齐纳二极管。齐纳和它的限流电阻将9V下降到5V, 4V通过齐纳的限流电阻下降。这个动作产生热量,浪费能源。

  2. 5V线性稳压器(LDO)。同样,输入9V,输出5V;4V通过LDO下降。如果电路正在吸取1A的电流,那么LDO正在消耗4W的功率。你也可以说,浪费的4W电能被转化为热量。

  3. DC-DC变换器。这里,开关基本上是脉冲宽度调制(即,使用脉冲宽度调制,PWM)输出电感和电容。当输出电压达到5V时,PWM占空比几乎为零。开关吸收的电流很小,因此功耗很小。这绝对是最有效的设计选项。

DC-DC转换器的输入电压可以是任意值,有6V、9V、12V、24V、48V标准。电力变压器降压120VAC到标准电压水平,然后整流,滤波和调节到商业或工业用途的直流电压。例如,电话系统建立在48V上,该值由电池备用系统的电压确定。如果交流电源断了,备用电池系统就会无缝启动。便携式设备则是另一回事。这些设备通常由直流电池供电,但它们需要调节。因为电池电压会在一段时间内下降,你需要提高它的输出电压并保持它的稳定。因此,如果您的系统以3.3V电压运行,即使电池电压下降,您也需要将其保持在3.3V。

在设计电源时,您可以选择“看似”的低成本解决方案,如上面提到的简单分压器或齐纳电路。请注意,我们说的“看起来”是低成本,因为这只是从材料清单的角度出发的。这些方法具有隐性和附加的功率损耗成本,导致系统中电气元件的高散热和寿命降低。同时,LDO具有非常低的噪声输出,但其缺点包括高功耗、大降电压和缩短电池寿命。

如今,设计人员转向DC-DC转换器,以实现效率、热量、精度、瞬态响应和成本的最佳输出。简单的,是的。但是,通往最佳DC-DC电力系统设计之路就像在没有地图的雷区导航一样复杂。转换器的工作温度限制了其最大输出功率,并且随着工业设备外形尺寸的缩小,工作温度正在上升。此外,大多数设备通常很少或没有强制冷却/空气流动。那么你最好的DC-DC设计方案是什么呢?

DC-DC设计选项:同步或非同步拓扑


它们之间存在权衡。非同步拓扑是一种较旧的设计,以通过外部肖特基二极管的功率损耗而闻名。这种功率损失相当于降低了效率。这里推荐使用同步拓扑,因为它可以提供高效率,并且通过集成高效的MOSFET而适合更紧凑的外形。图1对非同步转换器和更集成的同步解决方案之间的结构差异进行了比较,说明了这种基本差异。


图1所示。非同步DC-DC转换器拓扑(左)使用外部肖特基二极管来调节电压。同步拓扑(右)集成了一个MOSFET来取代肖特基二极管。

想想电力效率。近年来,IC供应商推出了同步DC-DC转换器,以改善其外部肖特基二极管的非同步设计的功率效率。现在,同步变换器集成了一个低侧功率MOSFET来取代外部高损耗肖特基二极管。低侧MOSFET的功耗影响R(ON),而穿过二极管V(D)的正向压降决定肖特基二极管的功率损耗。如果两种设计中的电流水平保持相同,则MOSFET上的电压降通常低于二极管上的电压降,从而降低MOSFET的功耗。

非同步方案中二极管的功耗为:

P(d) = v (d) × i (out) × (1 - v (out)/ v (in))

在同步方案中,整个MOSFET的功耗为:

P(fet) = r (on) × i (2)(out) × (1 - v (out)/ v (in))

然而,有意见指出,非同步降压转换器在较轻负载和高占空比下提供更高的效率,(2),似乎没有一个转换器可以在轻负载到重负载之间提供最佳效率。电力系统设计师是否又一次陷入了众所周知的“进退两难”?

要回答这个问题,请考虑在轻负载下非同步变流器的高效性能的主要推动力。在非同步变换器中,电感电流只向一个方向流动,永远不会变为负值;在同步变换器中,电流是双向流动的,这是一个缺点。


图2。同步变换器与非同步变换器中的电流。

为了克服同步变换器中的双向电流,引入了不同的工作模式来创建轻负载运行的“伪非同步”模式。现代DC-DC转换器支持三种模式(图3):

  1. PWM @ CCM:连续传导模式下的脉宽调制。这里,转换器以恒定频率工作;I(L)可以是负的。这种模式允许转换器快速响应任何负载变化,甚至下降到零负载,并且仍然最小化输出电压纹波。尽管如此,PWM @CCM模式在轻负载下提供较低的效率。

  2. PWM @ DCM:脉冲宽度调制在不连续的传导模式。这种方法也具有恒定的频率,但通过防止I(L)变为负,可以提高轻负载下的效率。它类似于非同步解决方案,在轻负载时禁用负电感电流。

  3. 带休眠的PFM:带休眠模式的脉冲频率调制。这种方法通过防止I(L)变为负值和关闭两个fet以在轻负载下跳过脉冲来提高效率。在跳变期间,转换器进入休眠状态,关闭未使用的内部电路以保存静态电流。这种模式实现了最佳的效率,提供了最高的轻负载效率,并且只牺牲了略高的输出电压纹波。


图3。Maxim集成的喜马拉雅DC-DC降压变换器的多模式操作。

当负载电流适中至满载时,所有模式都以相同的方式工作。当负载电流降低到小于电感电流纹波值的一半时,差异就出现了。

您的系统是否大部分时间都处于待机状态(即低负载运行),延长电池寿命是否至关重要?然后选择PFM模式,因为它提供了最高的轻负载效率。然而,对于PFM模式有一个警告:检查以确保更高的输出纹波和更慢的瞬态响应在待机期间不会对系统性能产生不利影响。

轻负载瞬态性能在您的应用程序中是否至关重要?那么PWM @ CCM是您的最佳选择,因为它可以提供最佳的瞬态响应,甚至可以降低到零负载。

PWM @ DCM模式在其他两种模式之间提供了合理的权衡。

最后的想法

技术在进步。通过将外部肖特基二极管替换为集成的高效MOSFET以及多模操作,当今的同步解决方案在最紧凑的设计中提供了卓越的效率。现在是时候采用新的同步技术来提高下一个设计的功率性能了。它更简单、更酷、更好。



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