选择降压转换器的无源组件
中心议题：
- 选择基础步降电压转换器
- 降压转换器外部组件的选择
解决方案：
- 提高轻负载效率
电源设计往往是系统最后一个考虑因素。这时，大部分用户可选择一个有效模块——输入一个 DC电压生成另一个电压。这个模块可以有不同规格，以步降方式生成低电压，或以步升方式生成高电压。同时，还有大量专用方案，如步升/步降、反激式和单端初级电感转换器（sepic），这种 DC-DC 转换器可生成大于、小于或等于输入电压的输出电压。对于基于 AC 电源工作的系统，可能首先需要采用 AC-DC 模块生成系统所需的最高 DC 电压。因此，步降转换器，也称降压转换器，是使用最为广泛的设备。下面，我们先介绍如何选择基础步降电压转换器，提高轻负载效率，然后讨论选择外周器件的考虑因素。
步降转换器主要有两种类型，分别为低压差稳压器（LDO） 和开关稳压器。LDO 可给出干净、稳定的电压，而开关稳压器适用于更加高效的工作。高效意味着转换过程中损失的能量低，简化热量管理。由于开关稳压器效率高，并且是最为流行的解决方案，因此我们重点介绍这种产品。同时，为便于讨论起见，我们只简要说明降压（步降）转换器。图1所示为基本类型步降开关稳压器，同步降压转换器。同步降压表示采用 MOSFET 作为降压开关（图1中沿其方向标记为 Ilower）。对比之下，标准降压稳压器采用肖特基二极管作为降压开关。由于 MOSFET 比二极管压差小，因此同步降压稳压器的主要优点是效率高于标准降压稳压器。
图1 基本类型步降开关稳压器
降压和升压 MOSFET 的定时信息由脉宽调制（PWM）控制器提供。图1中仅显示一路 PWM输入，而在许多电路图中，PWM 有两路输入。电路的第二路输入电压是 PWM 电源电压。控制器输入端与输出端构成电压反馈回路。这个回路可供降压转换器根据负载变化调节输出。PWM 模块的输出是一种按开关频率切换升降的数字信号。一次仅接通一个 MOSFET。同时接通两个 MOSFET 会造成 Vin 对 GND 短路，这样会降低效率，因此不建议采用这种方法。这个信号的占空周期决定输入直接连接输出的时间比例。因此，输出电压是输入电压和这个占空周期的结果。
选择降压转换器 IC
上述控制回路使降压转换器保持稳定的输出电压。这个回路可采用多种方法实施。最简单的转换器采用电压或电流反馈。这些转换器牢固、简单且经济高效。降压转换器开始用于各种应用之后，其缺点也随之表现出来。以图形卡电源电路为例，随着视频内容的变化，降压转换器的负载也会发生变化。系统支持处理各种变化，但轻负载条件下（仅需少量负载时）的效率迅速下降。当效率成为关注的主要问题时，需要改进降压转换器解决方案。
这种改进称为迟滞控制。以 Intersil ISL62871 为例，效率负载曲线如图2所示。这种转换器是专门针对最差的条件设计的，轻负载不是常态。这些 DC/DC 转换器可以更好地应对负载变量的变化，不会对系统效率产生严重影响。图2所示为 ISL62871 在不同输出电流条件下测出的效率。输出电流的这种变化显示了不同负载的性能表现。
图2 Intersil ISL62871在输出电压为1.1V时效率与负载的对
选择开关频率
尽管开关频率有时对于设备来说是固定的，但仍值得讨论。权衡的关键是效率。以最简单的方式来说，MOSFET 存在一定的接通和闭合时间。随着频率增加，转换时间会在整个周期内成比例增加。结果造成效率下降。如果效率是最重要的设计目标，可考虑降低开关频率。如果系统效率足够高，可选择较高开关频率。提高开关频率可减少外部无源器件的使用量，即输出电感和电容，从而减小系统尺寸。
外部组件
您可以大胆尝试采用40多个器件设计完全分立的解决方案，不过这会显著增加工作量。作为一种选择，我们看图1所示的外部组件，以及这些组件对于系统性能产生的效果。
我们必须选择的五个组件是输入电容、输出电容、输出电感以及升压和降压 MOSFET。选择输出电感需满足输出纹波的要求，缩短 PWM 对负载变化的响应时间。电感值的下限根据纹波要求设定。在开始寻找最小（且最便宜）的电感之前，请注意，这样的电感未必是理想的。实际电感具有饱和量。这种饱和量必须高于系统峰值电流才能实现成功的设计。有经验的设计师还知道，电感相对于电流不是恒定的。事实上，当增加穿过组件的电流时，电感值会下降。查看电感器数据手册，保证选择的值满足系统峰值电流的要求。以为电感值取得大是最佳选择是一种错误。这是需要权衡的。电感值越大，输出纹波减少的越多，但会限制斜率。电感值过大将限制负载瞬态变化的响应时间。因此，选择电感器时应在降低峰-峰纹波获得更安静的输出，还是要求系统对负载变化做出快速响应之间做出明确权衡。
输入电容 C1 负责给升压 MOSFET 传送输入电流的 AC 组件供电。因此，RMS 电流量必须足以支持 AC 组件为 MOSFET 提供所需的电流。组合并联输入旁路电容是一种常用方法。从品质和温度系数低考虑，陶瓷电容可以去耦高频组件。大容量电容提供低频 RMS 电流，这与占空周期有关（当系统工作占空周期高于 50%时，可提供更大的 RMS 电流）。大容量电容可以是多个并联的多层陶瓷电容。不过，在低成本应用中，一般采用多个电解电容。在表面贴装设计中，可以选择固体钽电容作为 C1，但要当心电容的额定浪涌电流（升压时一般会出现浪涌电流）。选择降压转换器系统中的任何电容时，除考虑所需总容量外，应注意减小等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）。最后一点提示是电容的额定电压：为最大限度减少难以发现的故障，选择电容的额定电压应大于输入电压 1.2 到 1.3倍，即额定电压范围覆盖输入电压。
输出电容 COUT 必须过滤瞬态变化期间的负载输出。有趣的是，等效串联电阻（ESR）和额定电压对电容选择的影响要比实际电容值大。请注意，我们电感产生的峰-峰电流纹波可转换为输出电容 ESR 产生的峰-峰电压纹波。由于系统可能对输出电压纹波有限制，因此选择能够降低 ESR 的电容（或一组并联电容）是十分重要的。同时，电容必须具有足够的额定电压。由于存在这种综合要求，因此需要查看供应商的电容表，确定适合的解决方案。最后一点注意事项，一定要特别注意 ESR 数据，表中可能未按与您开关频率相同的频率给出数据。查看组件数据手册调整 ESR 的值。
MOSFET 一般按 RDS(on)、总计门电荷及热量管理要求选择。查看多家厂商的数据手册。选择与 Infineon BSC050N03LS相似的产品，门电荷为 35nC，升压 MOSFET的 RDS(on)为5毫欧。与之配合使用的降压 MOSFET (BSC016)的 RDS(on)为1.6毫欧。
闭合回路
如前面所述，输出是输入的反馈。这种连接构成补偿回路。补偿有多种方式，如 Type I、Type II 和 Type III。类型指解决方案中的极点的数量。Type I补偿是单极点解决方案，Type II补偿有两个极点和一个零点，Type III补偿有三个极点和两个零点。每种类型增加前一类型的组件数量，且进一步提高设计灵活性。从性能角度考虑，这个回路的设置带宽约为开关频率的四分之一。此外，作为典型稳定性标准，相位裕度一定要大于30度，小于180度。
与电压型转换器相比，设计过程与迟滞型降压转换器相似。好在高质量迟滞型控制有助于消除外部组件的寄生效应，便于选择上述5种组件。
总结
降压转换器设计过程首先选择控制器IC，然后选择相关外部组件。不同的参数对于每项选择是至关重要的。选定 MOSFET、输出电感、输入和输出电容之后，最后配置补偿参数。
