效率高达96%的降压/升压型DC/DC稳压器解决方案<转凌力尔特方案>

作者：Afshin Odabaee，凌力尔特公司产品市场工程师
　　降压型和升压型 DC/DC 转换器解决了单向电压转换问题，它们总是调节分别低于或高于输入电源的电压。然而，如果输入电源出现高于、等于或低于输出电压的变化 (即双向变化)，如何准确调节电压呢？人们一直在用不同和更加复杂的 DC/DC 拓扑来解决这个问题。
　　例如，很多电池备份系统采用反激式拓扑，在这种系统中，电池电压视充电状态和充电容量的不同而有所不同。在输入电源调节不佳的系统中，降压/升压型拓扑也是有用的解决方案，在这种系统中，输入电源可能上升到高于或下降到低于所希望的输出电压值。


从反激式、SEPIC、同步式直到微型模块稳压器系统
　　设计一个不受输入电压相关值影响 (不管 VIN是高于还是低于VOUT) 都能调节固定输出的 DC/DC 稳压器的早期方法是采用反激式拓扑。这么多年来人们仍然在使用反激式拓扑，因为大多数模拟电路工程师都非常熟悉反激式拓扑的设计，而且除了工程师非常了解磁性组件和 MOSFET 的工作规律这一点，反激式设计还相当简单。不过，实现某些 DC/DC 转换的反激式稳压器可能需要一个特殊的变压器设计，而且就今天的大多数应用而言，反激式稳压器的效率常常太

低。这就导致出现了另一种方法：SEPIC。
　　SEPIC 是单端主电感转换器的缩写。除了名字非常复杂以外，SEPIC 设计的基本要素包括一个 DC/DC 升压型转换器集成电路、一个耦合电感器或变压器。大功率 SEPIC 设计还需要外部功率MOSFET，这种 MOSFET 常常很大，因为它们必须承受瞬态高压并提供低的RDS(ON)。耦合电感器常常不是现售电感器，这个电感器制作得好不好对电源设计的性能有重大影响。另外，SEPIC的工作效率为67% ~ 86%，效率受到转换比、磁性组件选择、电容器、MOSFET等很多因素的影响，在某种程度上，与反激式拓扑的效率以及影响因素也类似。布局对稳定性和热量管理也有非常关键的影响。
　　就那些需要大功率降压/升压型转换器，但由于效率低和热量问题而无法接受反激式拓扑和SEPIC的应用而言，几年前已经出现了采用单电感器4开关降压/升压型控制器的解决方法。其电路和架构可以在60W（12V、5A）输出时非常容易地实现 90% ~ 95% 的效率。这对那些对散热感到头痛的系统设计师来说是个非常好的消息。这种解决方案满足了大多数应用的功率需求，而且以非常高的效率提供功率，同时从降压到升压或从升压到降压的不同工作模式之间的转换可以无缝进行。采用4个MOSFET、一个现售无耦合电感器、同步DC/DC控制器（凌力尔特公司的LTC3780）和补偿电路，再加上良好的布局知识，设计师就可以实现尺寸较小和效率较高的设计。图1比较了SEPIC和这种降压/升压型同步解决方案。


一种简练的降压/升压型解决方案
　　与反激式拓扑或SEPIC相比，同步4开关降压/升压型方案允许设计师提供更大的功率，同时也产生更少的热量。磁性组件也更容易得到，无需特殊电感器或变压器绕组。不过，有些人可能熟悉这种大约需要 24 个组件的电路，而有些人可能没有模拟设计专长或者需要在很紧张的时间里完成一个复杂系统的设计，这时最不希望的事情就是绞尽脑汁处理项目的电源部分。
　　不久前，凌力尔特公司发现了一种方法，可以将 LTC3780 降压/升压电路的 90% 集成到一个15mm×15mm×2.8mm、重1.5g、像一个表面贴装集成电路的焊盘网格阵列（LGA）封装中。它仅需要一个现售电感器、一个用来设置输出电压的电阻、一个检测电阻和一些大容量输入输出电容器。MOSFET、补偿电路和复杂的DC/DC 控制器都集成到了具有保护作用的塑料模制封装中。图2比较了这种DC/DC微型模块（mModule）降压/升压电路和分立的LTC3780设计。


效率高达 94% ~ 98%
　　LTM4605 和 LTM4607 降压/升压型微型模块稳压器完全由采用凌力尔特公司芯片设计技术设计的 DC/DC控制器和MOSFET做成。因为所有芯片都是凌力尔特公司设计和制造的，因此该微型模块对大功率降压/升压工作实现了优化。MOSFET 栅极电荷、RDS(ON)、VDS和DC/DC控制器强大的驱动器一起实现了令人惊讶的性能 (图3)。图3所示为一个60W设计，但是这里仅消耗2W。这个设计可以放入最受限的空间中。布局也非常简单，不可能产生错误。布局在数据表（www.linear.com..cn/micromodule）中提供。这两个器件的大功率版本是LTM4607，其额定输入电压为4.5V ~ 36V，额定输出电压为0.8V ~ 24V，并能够提供高达160W的额定功率。

　　结论
模拟开关电源设计除了要具有选择组件值时所需的数学知识，还需要具有物理知识，如布局的影响、接地平面、印刷电路板通孔、焊接和热量管理。凌力尔特提供的只需要最低限度电源设计工作的大功率和高效率降压/升压型解决方案可以减轻很多数字电路设计师的烦恼和忧虑。