如果你問(wèn)一個(gè)典型的手機(jī)用戶什么更重要，一次充電后能夠連續(xù)通話更長(zhǎng)時(shí)間，或者在待機(jī)數(shù)天后還剩一定百分比的電池以進(jìn)行快速通話，我懷疑兩者都會(huì)被認(rèn)為是重要的。畢竟，效率是現(xiàn)代電源設(shè)計(jì)中節(jié)能的口號(hào)，但在輕負(fù)載或待機(jī)條件下效率的變化會(huì)影響便攜式設(shè)備的電池充電可用性，并且對(duì)用戶同樣重要。

為電子設(shè)備供電的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不會(huì)耗盡便攜式設(shè)備中的電池，這可以在這兩種情況下發(fā)揮重要作用。一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)在滿載時(shí)可能具有 95% 或更高的良好標(biāo)題轉(zhuǎn)換效率，但待機(jī)損耗可能會(huì)有很大差異，直接影響您的手機(jī)在幾天后免費(fèi)撥打緊急電話的可用性。在 DC-DC 中，在輕負(fù)載下，損耗往往是與實(shí)際負(fù)載功率無(wú)關(guān)的固定值，通常來(lái)自“管理”功能或功率 MOSFET 柵極的充電和放電，與它們是否通過(guò)漏極電流無(wú)關(guān)。在這些條件下的效率應(yīng)該盡可能高，但實(shí)際數(shù)字沒(méi)有那么意義；如果您的待機(jī)負(fù)載為 1mW，固定轉(zhuǎn)換損耗為 1mW，您可能會(huì)很高興，

不過(guò)，固定損失的絕對(duì)值很重要；在系統(tǒng)級(jí)別，如果將其減半至 0.5mW，手機(jī)的通話時(shí)間可能只增加幾秒鐘，但它可能會(huì)使以天計(jì)算的待機(jī)可用時(shí)間增加一倍。降低空載和待機(jī)損耗的努力當(dāng)然是值得的。

同步是要走的路

可以肯定的是，便攜式設(shè)備中的“降壓”轉(zhuǎn)換器通常需要使用“同步整流”的最佳可用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率。降壓轉(zhuǎn)換器由一個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān) SW1 組成，該開(kāi)關(guān)將電流脈沖傳遞到電感器，而第二個(gè)開(kāi)關(guān)在串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)允許連續(xù)電流流向輸出。脈沖寬度調(diào)制，以及電感器和后續(xù)電容器的平均效應(yīng)，降低并調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖 1. 降壓轉(zhuǎn)換器外形

用于第二個(gè)開(kāi)關(guān) SW2 的“飛輪”二極管是一種簡(jiǎn)單的解決方案，通過(guò)“換向”在正確的時(shí)間自動(dòng)導(dǎo)通，當(dāng)串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感器中存儲(chǔ)的能量的作用會(huì)導(dǎo)致二極管的正向偏置。不過(guò)，二極管具有顯著的正向壓降，在部分開(kāi)關(guān)周期內(nèi)與負(fù)載串聯(lián)。如果負(fù)載電壓低，則此二極管壓降占總壓降的很大一部分，導(dǎo)致效率低下。當(dāng)二極管在開(kāi)關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，在高輸入電壓下效果更差。即使是肖特基二極管也難以在較高電流下提供不錯(cuò)的效率水平，其中它們的電壓降增加到與標(biāo)準(zhǔn)快速恢復(fù)類(lèi)型相似的水平。

只要開(kāi)關(guān)接近理想且電壓降很小，用可控開(kāi)關(guān)替換二極管（稱(chēng)為“同步整流”）始終是最佳解決方案。早期的電路使用雙極晶體管來(lái)?yè)魯《O管，但需要復(fù)雜、耗電的電流驅(qū)動(dòng)電路來(lái)抵消其優(yōu)勢(shì)，尤其是在輕負(fù)載時(shí)。

輸入 MOSFETS 作為開(kāi)關(guān)，它需要的驅(qū)動(dòng)功率要少得多。高 Rds（on） 數(shù)據(jù)最初意味著，在較高電流下，它們的壓降與二極管相當(dāng)，但隨著技術(shù)發(fā)展到亞毫歐器件，它們已經(jīng)形成了自己的特色（圖 2）。

圖 2. MOSFET 同步整流器

高負(fù)載下的高效率現(xiàn)在很容易實(shí)現(xiàn)，但仍然需要注意那些長(zhǎng)期損耗。例如，現(xiàn)代降壓控制器可能以 3MHz 的頻率工作，但對(duì)于總柵極電荷僅為 1nC 的器件，僅以這種速度在 0 到 5 伏之間切換 MOSFET 柵極就會(huì)耗散 15mW。功率不被柵極本身消耗，它消耗在驅(qū)動(dòng)器和串聯(lián)柵極電阻中，并且與脈沖占空比無(wú)關(guān)。假設(shè)轉(zhuǎn)換器中至少有兩個(gè)開(kāi)關(guān)，問(wèn)題就很明顯了。

PFM 或“脈沖跳躍”有助于待機(jī)損耗

在輕負(fù)載時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器不需要在高頻下工作；所需的能量可以通過(guò)低重復(fù)率的短脈沖提供。通過(guò)強(qiáng)制執(zhí)行此操作，可以顯著降低固定開(kāi)關(guān)損耗 - 功耗與開(kāi)關(guān)事件的數(shù)量或每秒的柵極充電/放電周期成正比。控制器有效地進(jìn)入“恒定開(kāi)啟時(shí)間，可變關(guān)閉時(shí)間”模式。在負(fù)載最輕的情況下，關(guān)閉時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)，因此在此期間禁用某些控制器內(nèi)部電路實(shí)際上是可行的，因?yàn)樗鼰o(wú)關(guān)緊要，從而節(jié)省更多電力。

在輕負(fù)載時(shí)禁用同步整流

同步整流具有雙向傳導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)，可在任何負(fù)載下提供連續(xù)的電感電流 （CCM），這有助于您的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。不過(guò)，有意禁止同步 MOSFET 在輕負(fù)載時(shí)傳導(dǎo)反向電流，從而強(qiáng)制轉(zhuǎn)換器進(jìn)入非連續(xù)傳導(dǎo)模式 （DCM） 可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。如果您可以保持環(huán)路穩(wěn)定性，則凈損耗可以更低，因?yàn)?MOSFET 在開(kāi)關(guān)周期的較小部分導(dǎo)通。如果轉(zhuǎn)換器以任何方式處于脈沖跳躍模式，則增益更加靜止。圖 3 顯示了您將看到的波形。

圖 3. 不同的降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)模式

Maxim MAX17501 控制器就是一個(gè)很好的例子，它融合了這些特性。它可以提供 500mA 的負(fù)載電流，峰值效率優(yōu)于 90%，輸入電壓高達(dá) 60V，固定輸出電壓為 3.3V 或 5V。脈沖頻率模式發(fā)生在小于約 60mA 時(shí)，在零負(fù)載時(shí)，開(kāi)關(guān)電流在 20°C 時(shí)降至小于 100μA。作為比較，如果在空載時(shí)可選擇強(qiáng)制使用固定頻率 PWM，則電流消耗會(huì)接近 5mA。在某些應(yīng)用中，您可能希望通過(guò)這種方式來(lái)保持開(kāi)關(guān)頻率恒定和噪聲水平更可預(yù)測(cè)。

當(dāng)然，如果負(fù)載電流真的為零，則下游電路不工作，您可以選擇完全關(guān)閉控制器。在這種情況下，電流小于 1μA。好吧，效率是 0%，但我想你不會(huì)介意的。

審核編輯：郭婷