效率和功率消耗

在設(shè)計電源時，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率是需要考慮的最重要因素之一。如果效率太差，就會導(dǎo)致高功率消耗，需要在電路板上借助散熱器或者PCB上更多的銅線才能處理好。功率消耗也會需要更多的電源上行。功率消耗有下面幾個成分：

這里的三個方案的損耗來自FET驅(qū)動損耗、FET轉(zhuǎn)換損耗和感應(yīng)器損耗。FET電阻和IC損耗是一樣的，因為三個方案使用同樣的IC。由于每個方案都使用了陶瓷電容器，電容器損耗可以忽略不計，因為它們的等效串行電阻很低。為了顯示高頻率轉(zhuǎn)換的效果，圖2對每個方案的效率進(jìn)行了測量和闡述。

圖2：輸入電壓5V輸出電壓1.8V時不同頻率的不同效率

上圖清晰地顯示出效率隨著轉(zhuǎn)換頻率的增加而降低。為了能在任何頻率情況下都改進(jìn)效率，需要一個具有低Rds (on)、閘電壓或全負(fù)載時靜止電流規(guī)格的DC/DC轉(zhuǎn)換器，或者等效電阻更低的電容器和感應(yīng)器。

大小

表格3顯示了感應(yīng)器和電容器的數(shù)值，以及PCB所需板面面積

表格3：元件大小和總面積要求

電容器或感應(yīng)器的推薦板面面積是比單個元件稍大一些，以上三個方案都要將板面面積大小計算在內(nèi)。然后，總面積的大小就是將各個元件所占面積相加，包括IC和濾波器的板面面積，以及所有其它小的電阻器和電容器乘以2，以作為元件間隔。從350 kHz 到1600 kHz能節(jié)省的面積很大，濾波器大小可以減少50%，板空間減少35%，節(jié)省了將近100 mm2。

但由于電容值和電感值不能降為零，必定會符合回報消減規(guī)律。換句話說，提高頻率不能無限制地降低總體面積，因為適當(dāng)尺寸的批量生產(chǎn)的感應(yīng)器和電容器是有限定范圍的。

瞬間反應(yīng)

瞬間反應(yīng)是衡量電源性能等級的一個很好的指標(biāo)。我們利用每個電源的在更高轉(zhuǎn)換頻率下的波德圖來進(jìn)行對比。如圖3所示，每個電源的相位補角都在45度到55度之間，這是一個抑制效果不錯的瞬間反應(yīng)。

圖3：批量為350 kHz, 700 kHz和1600 kHz.時的波德圖

交越頻率大約是轉(zhuǎn)換頻率的1/8。當(dāng)使用一個快速轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器時，要確保電源IC誤差放大器有足夠的帶寬來支持一個高交越頻率。TPS54317的誤差放大器單位增益帶寬一般是5MHz。表格4顯示了實際瞬間反應(yīng)次數(shù)和相關(guān)電壓峰值過沖值。

表格4：瞬間反應(yīng)

轉(zhuǎn)換頻率越高就帶寬越大，過沖值就越低。低瞬間電壓過沖對于一些新的性能處理器是必須的，因為它們的調(diào)節(jié)精度要求可能包括瞬時電壓峰值是3%。

當(dāng)需要更高的輸出電流時，德州儀器的TPS40140型可堆疊、雙通道并使用外部MOSFET的1 MHz DC/DC控制器可以滿足要求?？焖俎D(zhuǎn)換頻率的優(yōu)勢可以通過交叉多個功率階段并將之從相位中轉(zhuǎn)換出去來實現(xiàn)。

例如，可以將四個頻率分別為500kHz的輸出堆在一起，就行成了2MHz的有效頻率。這樣作的好處是可以減少波紋，降低輸入塊電容，加快瞬間反應(yīng)，并通過在電路板上擴散功率消耗來改進(jìn)熱量管理。最多可以將8個TPS40140通過數(shù)字總線連在一起并實現(xiàn)相位同步，最大有效頻率高達(dá)16MHz。

總結(jié)

設(shè)計轉(zhuǎn)換器時要進(jìn)行利弊權(quán)衡。更小的面積、更快的瞬間反應(yīng)和更小的電壓過沖和下沖是本文談到的“利”，而功率的降低和散熱的增加則是“弊”。

如果突破了極限，可能會產(chǎn)生一些問題，比如脈沖跳躍和噪音。在為高頻率應(yīng)用選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器時，要核查制造商的數(shù)據(jù)表，以確認(rèn)一些重要的規(guī)格，例如最小啟動時間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻和轉(zhuǎn)換損耗等。在這些規(guī)格上有良好性能的集成電路可能成本會更高，但卻物有所值，而且在遇到設(shè)計難題時更容易使用。