半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使電子設(shè)備可以在3.3V、2.5V、1.8V甚至低于1V的電壓下工作。與傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器相比，同步降壓轉(zhuǎn)換器用MOSFET來代替續(xù)流二極管，因而能以更高效率提供大電流和低電壓輸出，同步降壓轉(zhuǎn)換器在待機期間的功率損耗可大大減少。盡管同步降壓轉(zhuǎn)換器具有很高的效率，但由于采用了兩個MOSFET元件，所以控制難度增加，也更難以對元件進(jìn)行優(yōu)化。采用MOSFET代替續(xù)流二極管會影響轉(zhuǎn)換器固有的斷續(xù)電流模式(DCM)，并降低輕負(fù)載下的轉(zhuǎn)換效率。本文將對這些問題進(jìn)行討論，并提出相關(guān)的解決方法。
由于在同步穩(wěn)壓器中采用兩個MOSFET元件，所以必須小心地控制，以免出現(xiàn)電流過沖，導(dǎo)致電源通過兩個MOSFET元件被短路接地。此類電流會引起很大的開關(guān)損耗，更糟糕是可能燒毀MOSFET元件或電源。為降低上述風(fēng)險，一般會在開關(guān)之間插入適量的延時，即死區(qū)時間。此外，在轉(zhuǎn)換率比較高的情況下，即輸出電壓和輸入電壓之間差別很大時，兩個MOSFET的導(dǎo)通時間會有很大的差別，甚至可以相差10倍。例如，一個24V輸入和18V輸出的轉(zhuǎn)換器要求占空比為7.5%，因此導(dǎo)通時間的比為0.075:0.925，兩者大約相差12倍。基于這個原因，應(yīng)該采用額定功率不相同的MOSFET來優(yōu)化設(shè)計并降低元件成本。
但是，采用額定功率不同的MOSFET將增加采用分立部件構(gòu)建同步穩(wěn)壓器的難度。市面上各類MOSFET的導(dǎo)通時間和截止時間各不相同。因此合理地確定死區(qū)時間以及相關(guān)的電路需要花費較多的時間。此外，由于可供選擇的MOSFET有限，所以要找到一個具有合適額定功率的MOSFET來優(yōu)化設(shè)計并非易事。
在同步降壓轉(zhuǎn)換器中采用MOSFET代替續(xù)流二極管，不僅可降低導(dǎo)通損耗，還允許電感器的電流雙向流動。因此，即使輸出電流很小(輕負(fù)載)，同步降壓轉(zhuǎn)換器都可以維持連續(xù)電流模式(CCM），而無需被迫工作于DCM。圖1給出了是降壓轉(zhuǎn)換器和同步降壓轉(zhuǎn)換器在大輸出電流和小輸出電流情況下的電感器電流波形圖。兩種轉(zhuǎn)換器在大輸出電流下都能保持CCM。但在輕負(fù)載下，降壓轉(zhuǎn)換器被迫進(jìn)入DCM，因為它采用的二極管阻隔了電感器所有的反向電流。同步降壓轉(zhuǎn)換器的MOSFET可讓負(fù)向電流通過，因此仍能保持CCM。
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| 圖1：降壓轉(zhuǎn)換器(a)和同步降壓轉(zhuǎn)換器(b)在大輸出電流和小輸出電流情況下的電感器電流波形圖。 |
如果待機效率非常重要，那么同步轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載狀態(tài)下便不宜工作于CCM，因為MOSFET在大部分時間內(nèi)都會產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，這將導(dǎo)致總功率損耗變得很大。對于DCM，當(dāng)電感器電流等于零時，無論是采用MOSFET或是續(xù)流二極管，都不會出現(xiàn)導(dǎo)通損耗。此外，零電流開關(guān)特性也有助于降低開關(guān)損耗。因此，盡管同步降壓轉(zhuǎn)換器在大輸出電流況下的效率很高，但低輸出功率情況下的效率卻很低。這一點對要求低待機功耗的應(yīng)用特別重要。
為解決上述問題，可以增加一個控制電路對MOSFET的電流進(jìn)行檢測。一旦發(fā)現(xiàn)電流為零便關(guān)閉MOSFET，以阻止反向電感電流通過。此時，MOSFET的功能就像一個二極管，使同步轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載時工作在DCM，并同時保持低的電壓降。這個電路不會影響同步轉(zhuǎn)換器在高輸出電流條件下的性能，卻明顯改進(jìn)了同步轉(zhuǎn)換器在低輸出功率下的效率。
同步降壓轉(zhuǎn)換器的最有效的實現(xiàn)方式就是單芯片解決方案。單芯片方案可以優(yōu)化MOSFET尺寸，使其達(dá)到最佳效果。由于MOSFET被集成在芯片內(nèi)，所以能夠采用專用設(shè)計來優(yōu)化死區(qū)時間和驅(qū)動電路。此外，集成的MOSFET使得檢測MOSFET的電流變得更加容易。若要執(zhí)行DCM運行方式，可以在適當(dāng)?shù)臅r間關(guān)閉MOSFET。
美國國家半導(dǎo)體公司的PowerWise系列產(chǎn)品LM310x(包括LM3100、LM3102和LM3103)都具有上述技術(shù)優(yōu)勢。這些產(chǎn)品內(nèi)置了MOSFET，且都是高性能同步降壓轉(zhuǎn)換器。特別值得一提的是這些產(chǎn)品的零線圈電流探測電路支持DCM運行方式。圖2為LM3102的典型應(yīng)用原理圖。
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| 圖2：LM3102的典型應(yīng)用原理圖，電路輸出電壓為3.3V。 |
圖3給出了在輸出電壓為1.8V的條件下，LM3102和降壓轉(zhuǎn)換器(非同步)的效率曲線。由此可見，在相同的輸入電壓下，LM3102的效率一般比降壓轉(zhuǎn)換器高10~15％，這是因為降壓轉(zhuǎn)換器中的續(xù)流二極管消耗了很多功耗。LM3102采用的是MOSFET元件，功率損耗得以大大改善，在輸出電壓低的情況下也能達(dá)到很高效率。
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| 圖3：LM3102和非同步(降壓)轉(zhuǎn)換器的效率對比。 |
圖4對傳統(tǒng)的同步降壓轉(zhuǎn)換器與LM3100的效率進(jìn)行了對比，其中輸入電壓及輸出電壓分別為12V及1V。在高輸出電流情況下，兩種轉(zhuǎn)換器的效率都超過70%。但在負(fù)載較小的情況下，傳統(tǒng)同步轉(zhuǎn)換器采用CCM運行方式，效率明顯降低。不過，LM3102也可以進(jìn)入DCM運行，因此它在低輸出電流下也具有很高的效率。對于那些在待機狀態(tài)下仍要求高效率的應(yīng)用而言，LM3102具有突出優(yōu)勢。
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| 圖4：LM3100與傳統(tǒng)同步轉(zhuǎn)換器的效率對比。 |
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