同步降压转换器电路设计基础

降压转换器的功能在于降低输入电压，使之与负载匹配。降压转换器的基本拓朴由主开关和断开期间所用的二极管开关构成。当一个MOSFET与续流二极管并联时，它就被称为同步降压转换器。这种降压转换器布局的效率比过去的降压转换器更高，这是因为低边MOSFET 与肖特基二极管采用了并联方式。图1为同步降压转换

器的示意图，这是当前台式机和笔记本电脑中最常采用

的布局结构。

基本计算方法

晶体管开关Q1和Q2均为N沟道功率MOSFET。这两

个MOSFET通常称为高边或低边开关，低边MOSFET与肖特基二极管并联。这两个MOSFET和二极管构成了转换器的主要功率通道。这些组件的损耗也是总损耗的重要部分。根据纹波电流和纹波电压可确定输出LC滤波器的大小。依据每种情况下采用的特殊PWM，可选择反馈电阻网络R1和R2。某些器件具备逻辑设置功能，用于设定输出电压。要根据功率大小和期望频率下运行的工作性能来选择PWM。这意味着当频率提高时，需要有足够的驱动能力驱动MOSFET的门，这构成了标准同步降压转换器所需的最小组件数目。

设计人员应首先检查其要求，即V输入、V输出和I输出以及工作温度要求。然后再将这些基本要求与已得到的功率流、频率和物理尺寸要求结合起来。

下文是一个典型的设计范例：

1. V输入=12Vdc、V输出=1.6Vdc、I输出=5Adc；

2. 环境温度为25°C；

3. 初始计算时的最小电源效率大于80%；

4. 标准工作开关频率为200kHz到600kHz；

5. PWM I.C.的开关频率为300kHz，作为一个标准公共频率。

根据上述条件可得出输出功率为8瓦，而输入功率必须为10瓦。功率损耗为2瓦，它转化为热。主要损耗是由晶体

管和二极管产生的，所产

生的热量将使半导体的

结温升高。因而在设计过

程中必须进行结点和环

境的热计算。Spice??e

模型来仿真该电路的电

气和热效应。">

A. 降压器的占空比计算

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1. D=V输出/V输入；T=1/f开关

2. D=1.6V/12V；D=.133；T=1/300kHz；T=

3.33us；

3. T导通=D*T=(0.133)*3.33us；

4. T关断=T- T导通=3.33us-0.443us=2.86us；

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占空比的方程1到4与理论计算完全一致。它们并未考虑直流电阻和半导体的限制。

B. LC输出滤波器要根据电流和电压纹波计算

这些参数由负载要求得来，实际计算与组件的ESR和DCR相关。

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5. L=(V输出/(dI*F))*(1-V输出/ V输入；I负载=5Adc；dI=%33* I负载(纹波)；L=2.7uH；

6. C输出>(L*(dI)2)/(2*(dV)* V输出))；V输出=1.6；dV=%.75*V输出(纹波)；C=180uF；

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C. 功率MOSFET门驱动的计算

Cgs和Cds由MOSFET的性能参数得到。在MOSFET性能规范中，以表格和曲线的形式给出电容值。这些值为Ciss、Coss和Crss，这些参数将由生产厂商列在数据表上。tr和tf 可从PWM IC的规范说明书中得到。在详细的PWM规范说明书中，还列出或画出与电容负载相连的输出驱动的上升、

下降和延迟时间。PWM规范

说明还会给出电流输出限制，

上拉或下拉的直流电阻。

D. 结电容方程

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7. Ciss=Cgd+Cgs 8.

Coss=Cgd+Cds

9. Crss=Cgd

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E. 门驱动峰值电流要求的估计

由上面三个电容方程和关于MOSFET及PWM的参数表，设计人员就可以利用下面的方程来估计门驱动峰值电流要求。此处的假设是设计人员在计算时设定的门驱动电压为4.5Vdc。门驱动的公共tr 和td 值在50ns到100ns之间。要注意，当tr和td 减少时，电流驱动也降低。

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10. Igs=(Cgs*Vgs)/tr Igs=(769pF*4.5)/50ns=69.2mA；

11. Ids=(Cds*Vds)/tr Ids=(393pF*12)/50ns=94.3mA；

12. I总门驱动=Igs+Ids =163.5mA；

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还有其它一些计算方法。尤其是有些制造商会提供总的电量Q来计算电流要求。例如

Q=23nC，对FDS6690 MOSFET而言，该值对应于255pF，那么50ns时，电流值将为0.46Adc。

F. 功率MOSFET Q1和Q2的计算

Q1称为高边MOSFET，其主要损耗为由电压和电流的升降而引起的转换损耗。Q2称为低边开关，其损耗主要为传导

损耗。

G. 高边Q1 MOSFET的计

算

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13. P高边=Crss*V输入2*F*I负载

+( V输出/V输入)* I负载*Rds(on)；

14. P高边

=55.1mW+43.3mW=98.4mW

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H. 低边Q2 MOSFET的计算

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15. P低边=(1- V输出/V输入)* P高边*Rds(on)

16. P低边=281.7mW

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