開關(guān)電源組件的設(shè)計考慮因素

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】開關(guān)電源組件的設(shè)計考慮因素一般而言，閉環(huán)電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的性能由兩個重要的值來評估：環(huán)路帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性裕量。環(huán)路帶寬由交越頻率fC量化，在該頻率下，環(huán)路增益T(s)等于1(0dB)。環(huán)路穩(wěn)定性裕量通常由相位裕量或增益裕量來量化。環(huán)路相位裕量Φm定義為總T(s)相位延遲和交越頻率下–180°之間的差異。增益裕量定義為T(s)增益和總T(s)相位等于–180°的頻率下0dB之間的差異。對于降壓轉(zhuǎn)換器，通常認為45度相位裕量和10dB增益裕量就夠了。圖16顯示電流模式LTC382912VIN至1VO/60A3相降壓轉(zhuǎn)換器的環(huán)路增益的典型波特圖。本例中，交越頻率為45kHz，相位裕量為64度。增益裕量接近20dB。

圖16.LTpowerCAD設(shè)計工具可輕松優(yōu)化環(huán)路補償和負載瞬態(tài)響應(yīng)

（以3相、單路輸出LTC3829降壓轉(zhuǎn)換器為例）

適合高電流應(yīng)用的PolyPhase降壓轉(zhuǎn)換器

隨著數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)越來越大，速度越來越快，其處理器和存儲器單元在電壓不斷降低的情況下需要更大的電流。在這些高電流下，對電源的需求倍增。近年來，由于PolyPhase（多相）同步降壓轉(zhuǎn)換器具有高效率和散熱均勻性能，因而一直廣泛用于高電流、低電壓電源解決方案。此外，借助多相交錯降壓轉(zhuǎn)換器，可顯著減少輸入和輸出端的紋波電流，從而減少輸入和輸出電容以及相關(guān)的電路板空間和成本。

在PolyPhase降壓轉(zhuǎn)換器中，精細電流檢測和均流變得非常重要。良好的均流可確保均勻的散熱和較高的系統(tǒng)可靠性。由于在穩(wěn)態(tài)下和瞬變過程中具有內(nèi)在均流功能，因此電流模式控制降壓轉(zhuǎn)換器通常成為。ADI公司的LTC3856和LTC3829是具有精細電流檢測和均流功能的典型PolyPhase降壓控制器。對于輸出電流為20A至200A以上的2相、3相、4相、6相和12相系統(tǒng)，可以菊花鏈形式連接多個控制器。

高性能控制器的其他要求

高性能降壓控制器還需要許多其他重要特性。通常需要軟啟動來控制啟動過程中的浪涌電流。當輸出過載或短路時，過流限制和短路閂鎖可保護電源。過壓保護功能可保護系統(tǒng)中的昂貴加載裝置。為了盡量減少系統(tǒng)的EMI噪聲，有時控制器必須與外部時鐘信號同步。對于低電壓、高電流應(yīng)用，遠程差分電壓檢測可補償PCB電阻壓降，并調(diào)節(jié)遠端負載的輸出電壓。在具有很多輸出電壓軌的復(fù)雜系統(tǒng)中，還需要在不同電壓軌之間開展時序控制和跟蹤。

PCB布局

元件選擇和原理圖設(shè)計只是電源設(shè)計過程中的一部分。開關(guān)電源設(shè)計中正確的PCB布局始終至關(guān)重要。事實上，其重要性怎么強調(diào)都不過分。良好的布局設(shè)計可以優(yōu)化電源效率，緩解熱應(yīng)力，重要的是，可以盡可能減少走線和元件之間的噪聲和相互影響。為此，設(shè)計人員一定要了解開關(guān)電源的電流傳導(dǎo)路徑和信號流。通常需要付出很大的努力才能獲得必要的經(jīng)驗。詳細討論參見ADI公司的應(yīng)用筆記136和139。

圖17.使用LTC3829的3相、單路VO高電流降壓轉(zhuǎn)換器

選擇各種解決方案——分立式、單片式和集成電源

在集成層面，系統(tǒng)工程師可以決定選擇分立式、單片式還是全集成式電源模塊解決方案。圖18顯示適合典型負載點電源應(yīng)用的分立式電源模塊解決方案例如。分立式解決方案使用控制器IC、外部MOSFET和無源元件在系統(tǒng)板上構(gòu)建電源。選擇分立式解決方案的一個主要原因是元件的物料成本(BOM)低。但是，這需要良好的電源設(shè)計技能，且開發(fā)時間相對較長。單片式解決方案使用帶集成電源MOSFET的IC，進一步縮減了解決方案尺寸和元件數(shù)。該解決方案所需的設(shè)計技能和開發(fā)時間與分立式類似。全集成式電源模塊解決方案可顯著減少設(shè)計工作、開發(fā)時間、解決方案尺寸和設(shè)計風險，但元件的BOM成本通常更高。

圖18.(a)分立式12VIN至3.3V/10ALTC3778電源；

(b)全集成式16VIN、雙路13A或單路26ALTM4620?Module?降壓型穩(wěn)壓器例如

其他基本非隔離式DC/DCSMPS拓撲

本應(yīng)用筆記以降壓轉(zhuǎn)換器為例簡單說明SMPS的設(shè)計考慮因素。但是，至少還有五種其他的基本非隔離式轉(zhuǎn)換器拓撲（升壓、降壓-升壓、Cuk、SEPIC和Zeta轉(zhuǎn)換器）和至少五種基本隔離式轉(zhuǎn)換器拓撲（反激、正向、推挽、半橋和全橋），本應(yīng)用筆記未對這些拓撲開展說明。每種拓撲都有獨特的特性，適用于特定應(yīng)用。圖19顯示其他非隔離式SMPS拓撲的簡化原理圖。

圖19.其他基本非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲

還有一些由基本拓撲組合而成的非隔離SMPS拓撲。例如，圖20顯示基于LTC3789電流模式控制器的高效率、4開關(guān)同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器。它采用低于、等于或高于輸出電壓的輸入電壓工作。例如，輸入電壓范圍可以為5V至36V，輸出電壓可以是經(jīng)過調(diào)節(jié)的12V。此拓撲是同步降壓轉(zhuǎn)換器和同步升壓轉(zhuǎn)換器的組合，共用一個電感。當VIN>VOUT時，開關(guān)A和B作為有源同步降壓轉(zhuǎn)換器，而開關(guān)C始終關(guān)閉，開關(guān)D始終開啟。當VIN<VOUT時，開關(guān)C和D作為有源同步升壓轉(zhuǎn)換器，而開關(guān)A始終開啟，開關(guān)B始終關(guān)閉。當VIN接近VOUT時，四個開關(guān)均有效工作。因此，此轉(zhuǎn)換器具有很高的效率，對于典型12V輸出應(yīng)用，效率高達98%。LT8705控制器將輸入電壓范圍進一步擴展到80V。為了簡化設(shè)計并增加功率密度，LTM4605/4607/4609進一步將復(fù)雜的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器集成到一個易于使用的***度功率模塊中。它們可輕松并聯(lián)，從而分擔負載，適合高功率應(yīng)用。

圖20.高效率4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器采用低于、等于或高于輸出電壓的輸入電壓工作

總結(jié)

總而言之，線性穩(wěn)壓器簡單易用。由于串聯(lián)調(diào)節(jié)晶體管以線性模式操作，當輸出電壓明顯