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[分享] 高频率下切换高输入电压降压DC/DC转换器的利弊探讨

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发表于 2020-3-24 09:09:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
为了减小输出电容和电感的尺寸以节省印刷电路板(PCB)空间,越来越多的高输入电压DC/DC转换器在更高的开关频率下工作。然而,随着输出电压降至5V和更低,设计更快的开关高输入电压降压DC/DC转换器由于几个原因变得越来越困难。其中的关键是较低的工作周期。因此,工作频率超过1 MHz的转换器会以更多的方式影响电源系统,而不仅仅是其尺寸和效率。因此,在设计具有高输入和低输出电压的高开关频率DC/DC转换器时存在折衷。本文探讨了一些设计实例,这些实例证明了在较高频率下切换高输入电压降压DC/DC转换器的好处和缺陷。

为了解释这些权衡,德州仪器工程师建造了三个独立的电源,每个电源的开关频率分别为100,300和750 kHz。如应用笔记“设计高频,高输入电压DC/DC转换器的挑战”所述,¹所有三个DC/DC转换器设计的输入电压为48 V,而输出电压为5 V,输出电流为1A。根据设计人员的说法,这种降压转换器通常用于为5 V逻辑USB供电或作为中间总线转换器来驱动电路板上的其他负载点(POL)稳压器

在构建耗材之前,工程师建立了一些设计约束。例如,可接受的纹波电压设置为输出电压的1%,在这种情况下达到50 mV。此外,所选择的峰峰值电感电流为0.5 A.每种设计均基于图1中的电路,采用ti的TPS54160,2.5 MHz,60 V,1.5 A降压DC/DC转换器,集成MOSFET。

选择滤波器组件

以下公式用于计算每个设计实例的输出电感器和电容器的值。

对于电感,V = L×di/dt

上述公式进一步重组为:

在高频率下切换高输入电压降压DC/DC转换器的利弊分析

其中占空比D = VOUT/VIN = 5-V/48-V = 0.104,ΔI= 0.5峰 - 峰值,fs是开关频率,VDiode是所用二极管的正向压降。

在根据公式2b选择这些设计的电容器时,工程师认为所选的电容器具有可忽略的等效串联电阻(ESR),这对陶瓷电容器来说是正确的。因此,由于它们的低电阻和小尺寸,所有三种设计都选择了陶瓷电容器,如应用说明中所述。此外,TI建议等式2b的分子中的乘法器2考虑与DC偏置相关的电容降。通常,大多数陶瓷电容器的数据表中都没有考虑到这种影响,TI的设计人员也是如此。

使用图1中的参考电路,设计人员评估了三种不同解决方案的性能,每种解决方案的工作频率分别为100,300和750 kHz。基于使用等式1a至2b的计算选择的输出滤波器组件L1和C2的值与组件大小一起列于表1中。由于误差放大器的补偿元件是单独计算的,因此不在本讨论中介绍。

优点和缺陷

最小输出电压取决于DC/DC转换器IC的最小导通时间和占空比(输出电压与输入电压之比),因此可以轻松计算。最小占空比通过将最小导通时间乘以开关频率来计算(表2)。一旦知道了最小占空比,就可以通过将VIN乘以最小占空比来计算可达到的最低输出电压,如表2所示。可以看出,最低输出电压也受到转换器参考电压的限制,对于TPS54160,开关频率为0.8 V.

表2表明设计人员根本无法切换到更高频率以减小组件的尺寸。例如,该表显示在1 MHz开关和130 ns导通时间时,最低可能输出电压限制为6 V.低于6 V意味着跳过脉冲,这会导致更高的纹波电压和噪声。实际上,限流电路可能无法正常工作,因为转换器IC可能无法响应大电流尖峰。因此,表2表明,对于5 V输出,可与TPS54160一起使用的最高频率为750 kHz。在选择更高的开关频率之前,TI设计人员建议检查DC/DC转换器IC的数据表,以确保最小可控导通时间。

由于效率和功耗是DC/DC转换器设计的重要方面,并且它们取决于开关频率,功率MOSFET和输出电感,因此TI工程师仔细检查了这些功能和相关组件。他们发现,与功率转换效率相关的总功耗来自MOSFET驱动,开关和电感器损耗。 FET导通电阻和IC损耗是一致的,因为在所有三种设计中使用相同的IC和MOSFET。由于在每种设计中都选择了具有低ESR的陶瓷电容器,因此认为电容器损耗可以忽略不计。

图2中绘制了在三个不同频率下切换的参考转换器电路的测量效率性能。但是,此情况下的输入电压为5 V.该图表明降压转换器效率随着开关频率的增加而降低。/p》

应该注意的是,当输入电压较高时,这些效率数字会进一步下降,尤其是48 V,因为阶跃比现在变得更高,导致更高开关频率下的更多损耗。为了提高所需高频率下的效率性能,TI建议使用具有极低漏极 - 源极导通电阻,低栅极电荷以及满载时低静态电流规格的功率MOSFET。此外,利用具有较低ESR的电容器和电感器有助于进一步减少损耗并提高效率。

表1中的数据反映了电容和电感尺寸与频率的关系。虽然100 kHz和750 kHz设计之间的总面积可节省近250 mm2,但滤波器尺寸减小50%,电路板空间减少55%,必须采用递减收益定律。简而言之,频率越高并不意味着电感器尺寸会相应下降。如该表所示,300 kHz和750 kHz的电感占据相同的面积。

另一个性能参数是瞬态响应。基于开关频率,TI工程师已将表3中参考转换器电路的实际瞬态响应制成表格.TI指出,设计人员必须确保功率IC的误差放大器具有足够的带宽以支持高交叉频率。对于TPS54160,误差放大器的单位增益带宽通常为2.7 MHz。表3显示瞬态响应在较高频率下更好,电压过冲也较低。

最后,TI工程师检查了抖动噪声,这似乎是高转换率和更高开关频率的问题。当占空比很小时,抖动噪声成为开关脉冲的较大百分比。

总之,设计高频开关转换器需要权衡利弊。虽然在尺寸,瞬态响应,电压过冲和欠射等方面存在一些优势,但是缺陷是效率降低和功耗增加,这需要PCB上的散热片或更多的铜。此外,抖动噪声也会随着频率而增加。
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