同步降压稳压器是一种常用的电源 ，跟着各类运用要求的不断提高，职业越来越趋向于寻求高能效、高牢靠性、高功率密度的规划方案。比方 运用于无线局域网的负载点(PoL)电源，输入电压越来越宽，作业频率、功率密度也越来越高，跟着技能的开展，乃至可将整个电源系统集成在单个封装中。同步降压稳压器其电路结构自身十分简略， 但工程师要完结高效牢靠的同步降压稳压器的规划，仍是有着不少的技能应战，有必要对稳压器电路的各种作业状况有着十分深化、透彻的了解，一起还需完结很多的核算作业。本文将介绍快速规划出高效牢靠的同步降压稳压器的技能， 以及安森美半导体的 Power Supply WebDesigner在线规划东西，爸工程师处理所面对的技能应战。
动态功能的规划
规划一个牢靠的同步降压稳压器，首要有必要满意其动态功能指标如负载呼应才干。而输出电感、电容的挑选会直接影响到稳压器的动态功能，所以同步降压稳压器的功率电路规划一般是从挑选输出电感和电容开端。
1、挑选电感
从电路规划的视点，为完结快速瞬态呼应， 有必要挑选尽或许小的输出滤波电感和最小的输出电容。但是小的电感值会增加电感电流纹波，导致电感中有用电流值增加而使得导通损耗增大，一起所导致的峰值电流的增加，也会大大增加操控管的开关损耗。
运用大电感，可减小电感中的电流纹波，然后下降稳态输出电压纹波，所导致的低峰值电流也有助于下降MOSFET的开关损耗，但电感太大不只会导致相对较大的直流阻抗，发生较高的电感损耗，还会下降稳压器的负载呼应才干，然后下降稳压器的动态功能。
为挑选恰当的电感，一般可假定电流纹波ΔILO为电感均匀电流的30%，然后依据下面的公式直接核算出适宜的电感值。
2、挑选电容
最小输出电容的挑选有必要考虑到两个要素：一是稳态下输出电压纹波的要求，二是当负载从满载到空载骤变时所答应的最大输出过冲电压。
但输出电容也不是越大越好，太大的输出电容及电容自身的寄生串联电阻会影响到稳压器的输出电路的功能以及当负载骤变时稳压器的瞬态呼应才干。
一般，输出电容应首选： 一，有较小等效串联电阻(ESR)的电容， 以便下降沟通损耗和输出纹波; 二， 有较小等效串联电感(ESL)的电容， 以便在负载骤变时按捺输出误差。
能效规划
作为操控管和同步整流开关， 功率MOSFET广泛用于降压稳压器中。它们耗费大部分的损耗功率，一般决议了稳压器的整体能效。
1、挑选最佳的MOSFET
针对不同的规划要求，比方是想要本钱最低，仍是想要损耗最低，又或是想要封装尽或许小等等，需求挑选不同的MOSFET。
考虑到额外电流一般与MOSFET本钱成正比，有的工程师会依据额外电流的巨细来挑选MOSFET，期望以此来操控产品本钱;为最大极限地下降导通损耗，有的工程师则会挑选具有最低RDS(ON)的MOSFET;还有的依据质量因数(FOM)= RDS(ON)xQg(TOT)来进行挑选，期望能平衡导通损耗和开关损耗……这些依赖于参数的挑选办法其实都有缺乏。运用额外电流及电压的办法没有考虑详细的开关损耗;而最低RDS(ON)法，本钱或许会涓撸且MOSFET寄生电容或许导致更低的能效; FOM规律不能猜测能效或本钱。
因而，不管是为了下降本钱，提高能效，仍是为了规划更紧凑的产品，有必要完好核算出电路损耗及作业温度，才干保证规划出的产品能作业在牢靠的作业温度规模，到达最佳的能效。
2、核算MOSFET的损耗
在核算损耗前，需求先了解MOSFET在同步降压稳压器中的作业机制。图1所示为简化的稳压器的功率电路原理图，其间Q1为操控管，Q2 为同步管。
图1：简化的稳压器的功率电路原理图
同步降压稳压器首要有3种作业状况，其开关次序是A-B-C-B-A，如图2所示。
图2：同步降压稳压器的开关次序
状况A：操控管导通，输入电流经过操控管、电感传送到输出端。
状况B：操控管和同步管一起关断，电感储能经过同步管的寄生二极管放电，传送到输出端。
状况C：同步管导通，电感储能经过同步管放电，传送到输出端。
MOSFET的功耗包含操控管和同步管的导通损耗(PCOND)、操控管的开关损耗PSW、同步管的开关损耗、操控管和同步管的栅极驱动损耗PRgate。在140 kHz频率下导通损耗简直占总功耗的70%。跟着频率升高，总功耗中逐步以开关损耗(PSW)为主。
1). 操控管Q1的损耗核算
Q1作业在硬开关条件下，在小占空比或高频(> MHz)时以开关损耗为主，开关功能受同步管Q2影响：快速di/dt可导致反向恢复损耗增加，快速dv/dt有或许引起Q2误导通, 形成Q1、Q2直通现象，导致额外的损耗。别的，值得注意的是，由Q2体二极管导致的反向恢复损耗、 Q2输出电容导致的输出电容损耗首要耗散于操控管Q1上 [Ref. 1,2]。因而，在核算Q1的开关损耗和温度时有必要归纳考虑到Q2的影响。别的，Q1的导通阻抗随结温上升而上升。结温越高，导通阻抗越高，导通损耗就越高， 使得结温进一步上升。因而，对Q1的导通损耗有必要循环反复核算，直到管子的温度核算结果稳定下来。
关于高频运用(>MHz)，操控管Q1的选用应针对下降开关损耗进行优化。Q1损耗的核算公式如下：
Q1的导通损耗PCOND随输入电压(VIN)增加而下降，开关损耗PSW随VIN增加而增加，栅极驱动损耗PRgate与VIN无关。当VIN为最大或最小时，Q1的总损耗最大。
2). 同步管Q2的损耗核算
Q2作业在零电压开关(ZVS)条件下，当Fsw1.5 MHz时一般以导通损耗为主。在挑选Q2时，主张选用：
Ø具有低FOM(低Rds_on x Qgs)的MOSFET，以下降Q2的总损耗
Ø低Qgd/Qgs 比率(1)以避免快速dv/dt引起 Q1、Q2的直通现象
Ø关于高频运用，选用集成肖特基体二极管的MOSFET，以下降反向恢复损耗以及二极管导通损耗
Q2的损耗核算公式如下：
Q2的导通损耗PCOND随VIN升高而增加，开关损耗PSW仅仅跟着VIN升高而稍微增加。而Q2的寄生二极管导通损耗PDcond和栅极驱动损耗PRgate都与VIN无关。因而，当VIN为最大时，Q2损耗最大。
综上所述，当VIN为最大或最小时，Q1 + Q2总的损耗最大。进行核算时，有必要一起考虑Q1和Q2的相互影响。
规划示例
以下经过一个规划示例, 演示怎么完结操控管Q1和同步管Q2的 优化挑选。假如要规划一个输出为5 V、10 A的同步降压稳压器，其输入电压VIN=8—16V，作业频率FSW= 350kHz。考虑到20%的安全裕量及开关节点的电压振动，可开始挑选额外电压30 V以上、额外电流IDCONT 额外值≥ 10.3 A的MOSFET。然后，依据详细的运用要求，确认MOSFET的封装要求。为简化演示，咱们挑选选用5×6 mm PQFN (Power 56) 封装的器材。归纳以上挑选条件，安森美半导体的产品阵型中有超越150个器材供挑选，咱们需再进一步从中挑选出适宜的Q1和Q2。相同为简化演示，咱们将列出用于Q1和Q2的各12个器材。
关于Q2，VIN= VINMAX时损耗最大。图3所示的12个器材中，FDMS7656AS有最低的最大损耗。但因为Q2 寄生参数会影响Q1的 开关损耗， 最小Q2 损耗一般并不意味着最佳的总能效。有必要比较Q1及Q2的总功耗来找到最佳的Q2以完结最高能效。
图3：Q2的损耗比照
关于Q1，VIN= VINMAX或VINMIN时损耗最大。图4所示的12个器材中，FDMS8027S和FDMS8023S分别在VIN= VINMAX和VINMIN时有最低的最大损耗的Q1。
图4：Q1的损耗比照
为优化转换器能效，首要依据VIN挑选损耗最小的Q1，然后挑选发生损耗最小的Q2。本例中， 不管VIN最小或最大，最佳的Q2是相同的，都为FDMS7658AS(但并不总是如此，特别是具有宽VIN规模或高FSW时)。
图5：优化组合Q1和Q2
因为当VIN=VINMAX或VINMIN，Q1 + Q2总的损耗最大，咱们需对总的损耗进行比照，挑选最大损耗最低的最佳组合。如图6所示，选用FDMS8027S为Q1，FDMS7658AS为Q2时，Q1+Q2的最大损耗最低。
图6：Q1和Q2总的损耗比照
快速规划高效牢靠的同步降压稳压器的东西：Power Supply WebDesigner
上述规划示例标明，在规划同步降压稳压器时，为挑选最佳的Q1和Q2需进行很多繁琐杂乱的核算。为协助工程师快速完结高效牢靠的规划，安森美半导体供给了强壮的在线规划渠道Power Supply WebDesigner ，加快FET优化。
图7：Power Supply WebDesigner 在线规划渠道
经过Power Supply WebDesigner里的SynchronousBuck功率回路损耗剖析东西Power Train Loss，工程师可轻松比照合格MOSFET器材的数据及功能，主动扫除超越TJ 约束的器材，挑选规划裕量和作业温度规模，挑选单个或两层封装的MOSFET，依据额外电压、电流或封装挑选器材，增加并联器材和栅极阻尼电阻, 当即核算出不同的Q1 + Q2 组合的损耗，。在完结选定Q1和Q2后，工程师可获得输入电压D围和负载D围内功率回路的各类损耗和能效曲线，并依据各类曲线和功率回路能效汇总表针对不同的规划进行完好的剖析、比较 (图8]。最终，Power Supply WebDesigner可供给PNG格局的电路原理图、Excel格局的器材清单、完好的PDF规划陈述，工程师可在线保存，便于今后参阅或修正。
图8：SynchronousBuck功率回路损耗剖析东西运用
总结
为满意职业高能效、高牢靠性和高功率密度的规划趋势，在进行同步降压稳压器的规划时，需从动态功能、能效规划等方面归纳考虑。经过细心调整元器材值，可以相对容易地完结优化的动态功能，但处理和优化MOSFET功耗的技能一般较为繁琐杂乱。安森美半导体的Power Supply WebDesigner可协助简化规划流程，加快MOSFET优化挑选。
[1]: Understanding Diode Reverse Recovery and its Effect on Switching Losses. Fairchild Power Seminar 2007. Fairchild now is part of On Semiconductor
[2]: AN6005 Synchronous buck MOSFET loss calculations with Excel model . Fairchild App Note. Fairchild now is part of On Semiconductor
