同步还是非同步?选择正确的DC-DC转换器保障升压系统性能
发布日期:2024-06-03
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引言
您知道吗，环境每升高10°C，元件寿命将减少50%？[1]电源陡降或变动会造成系统器件过早失效甚至完全烧毁？实际上，大多数人认为功率敏感产品需要持久且高效的电源，这是必不可少的。但采用什么结构呢？同步还是非同步？我们下面就讨论一下上述两种结构各自的优缺点。
供电选择
每一种硬件系统都需要电源，而电源电压大多高于电路要求。比如说电源输入为9V，需要将其降低到5V，以保证系统正常运行。您有如下选择：
1.具有基本稳压功能的并联型稳压器，例如齐纳二极管。齐纳二极管及其限流电阻将9V电压降到5V，齐纳二极管限流电阻的压降为4V。这种方法会产生热量且浪费能源。
2. 5V线性稳压器(LDO)。同样，输入为9V，得到5V输出；LDO上的压降为4V。如果电路消耗1A电流，LDO则耗散4W功率。也可以说，浪费的4W功率被作为热量释放了。
DC-DC转换器。采用这种方法，开关对输出电感和电容进行脉宽调制(即PWM)。当输出电压达到5V，PWM占空比下降到接近零值时，开关消耗的电流非常小，响应的功率损耗也非常低。这无疑是效率最高的设计选择。
3.DC-DC转换器输入电压可以为任意值，标准值为6V、9V、12V、24V、48V。变压器将120VAC降到标准电压，然后整流、滤波并调节到直流电压，供商业或工业设备使用。例如，电话系统采用48V，由电池备份电压决定。如果交流电网断电，电池备份系统将无缝切入。便携式设备则是另一回事。这些设备一般使用电池输出的直流供电，但需要进一步稳压。由于电池电压经过一定时间周期后下降，需要对输出电压进行升压，以保持稳定。如果系统工作电压为3.3V，就需要在电池电压下降的情况下仍然维持在3.3V。
设计电源中，您可以选择“貌似”低成本的方案，例如上述简单的并联型稳压器或齐纳二极管。注意，我们之所以说“貌似”低成本仅仅是物料单上看起来是这样。这些方法存在隐蔽和附加的功耗成本，从而造成系统发热、缩短电子元件的寿命。另外，LDO输出的噪声非常低，但缺点是功耗较高、差压较大，电池寿命较短。
目前设计者转向DC-DC转换器，使得输出在效率、散热、精度、瞬态响应以及成本方面都达到最优平衡。简单直接是好的选择...但实现最优DC-DC电源设计的过程如同在没有地图的雷区里导航，难度极大。转换器的工作温度限制了最大输出功率，而工作温度又随着工业设备尺寸的缩小而升高。此外，大多数设备一般没有强制的制冷/通风装置或散热条件非常有限。那么， DC-DC最佳的选择是什么？
DC-DC设计选择
现在，我们讨论一下非同步和同步DC-DC转换器结构，这两种结构各有优缺点。非同步结构是较老的设计，值得注意的是外部肖特基二极管的功耗。这种功耗相当于降低了效率。我们推荐使用同步结构，因为其内部MOSFET具有较高效率，适合更小巧的尺寸。非同步转换器与集成度更高的同步方案相比，其结构差异如图1所示。
DC-DC转换器，同步or非同步？ 图1. 非同步DC-DC转换器结构(左)利用外部肖特基二极管调节电压；同步结构(右)用集成MOSFET代替肖特基二极管。
考虑一下电源效率。最近几年，模拟IC厂商推出同步DC-DC转换器来提高电源效率，弥补外部肖特基二极管非同步结构的功耗。现在，同步转换器集成低边功率MOSFET，来代替外部高损耗的肖特基二极管。低边MOSFET的RON影响功耗，而二极管的正向偏压VD决定肖特基二极管的功耗。如果两种设计的电流保持相同，MOSFET压降一般小于二极管压降，所以MOSFET的功耗较低。
非同步方案中二极管的功耗为：
PD = VD × IOUT ×(1 – VOUT/VIN)
同步方案中MOSFET的功耗为：
PFET = RON × I²OUT × (1 – VOUT/VIN)
然而，有意见认为非同步降压转换器在轻载和高占空比时的效率较高[2]，看起来也没有某一个转换器能够从轻载到重载都具有最优效率。电源系统设计师又一次陷入“进退两难”的处境[3]？
为了回答这一问题，可以考虑非同步转换器在轻载条件下实现高效率的主要原动力。非同步转换器中，电感电流仅单方向流动，不可能为负值；同步转换器中，电流双方向流动，这是一项缺点。
DC-DC转换器，同步or非同步？ 图2. 同步转换器和非同步转换器中的电流流向。
为克服同步转换器中的双向电流，设计了不同的工作模式，在轻载条件下形成“伪同步”模式。现代的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。此时，转换器工作在恒定频率；IL允许为负值。该模式允许转换器快速响应任何负载变化，哪怕下降到零负载，同时仍然保证输出电压纹波最小。但是，PWM@CCM模式在轻载时的效率较低。
2. PWM @ DCM：非连续传导模式下的脉宽调制。该方法也采用恒定频率，但通过防止IL为负值来提高轻载时的效率。在轻载时禁止负方向电感电流，这与非同步方案类似。
3. 带深度休眠的PFM模式：带深度休眠模式的脉冲频率调制。该方法通过防止IL为负值，并在轻载时关断两个FET，采用跳脉冲，提高效率。跳脉冲期间，转换器进入深度休眠模式，此时关断不使用的内部电路，以节省静态电流。该模式实现了最佳可能效率，具有最高的轻载效率，缺点仅仅是输出电压纹波略高。
DC-DC转换器，同步or非同步？ 图3. Maxim Integrated喜马拉雅DC-DC降压转换器的多种工作模式。
负载电流为中等到满载时，所有模式的工作方式相同；差异在于负载电流降低到小于电感电流纹波一半时。
您的系统是否大多数时间都处于待机状态(即低负载工作)，并注重电池寿命？可以选择PFM模式，因为该模式具有最高的轻载效率。而关于PFM模式有一点要特别注意：请检查确认较高输出纹波和较慢的瞬态响应不会对待机期间的系统性能造成不良影响。
轻载下的瞬态性能对您的应用特别重要？那么PWM @ CCM模式是最佳选择，该模式具有最佳瞬态响应，即使负载下降为零。
PWM @ DCM模式是其它两种模式的最佳平衡。
结论
技术在不断进步，利用集成的高效率MOSFET代替外部肖特基二极管，并采用多种工作模式，同步方案在绝大多数紧凑设计中能够提供出色的效率。采用新型同步技术提高下一代设计的电源性能，使总体设计更简单、工作温度更低，性能更好。
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