在計(jì)算、通信和消費(fèi)應(yīng)用系統(tǒng)中，DC-DC 系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換、管理和分配能量，為圖形卡、處理器芯片和內(nèi)存等器件供電。隨著對更高性能和功能性的需求不斷增加，這些器件的耗電量比以往更甚。計(jì)算和消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員不得不在功率預(yù)算和效率、成本及性能之間進(jìn)行權(quán)衡。為此，人們一直在就如何評估開關(guān)電路以及其所采用的功率晶體管器件展開研究，同時也在 MOSFET 器件和先進(jìn)的熱封裝技術(shù)方面取得進(jìn)展。尤其是計(jì)算產(chǎn)品意味著有了規(guī)范要求。延長電池壽命也是當(dāng)今便攜設(shè)備用戶的一個呼聲。因此，延長電池壽命、減小波形因數(shù)，以及新的政府法令要求，都在促使設(shè)計(jì)人員仔細(xì)選擇電源部件，尤其是板上同步降壓轉(zhuǎn)換器。
但是效率低且組件溫升過高的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可能是一個令人頭疼的問題——如果我們必須重新設(shè)計(jì)電路或修改電路板布局，則更是如此。
為避免此類問題，深入了解轉(zhuǎn)換器的工作模式和功率損耗似乎是明智之舉。盡管易于使用的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和仿真工具提供了一種快速選擇組件、繪制效率曲線和估計(jì)轉(zhuǎn)換器內(nèi)功率損耗的方法，但特定功率級的細(xì)微差別及其各種工作模式往往仍被誤解。識別轉(zhuǎn)換器的模式并剖析預(yù)測功率損耗所需的表達(dá)式可以讓我們?nèi)媪私?DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電氣和熱行為。現(xiàn)在以LM5175為例：
LM5175是一款同步四開關(guān)buck-boost DC/DC控制器，能夠在輸入電壓處、之上或之下調(diào)節(jié)輸出電壓。LM5175可在3.5 V至42 V（最大60 V）的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，以支持多種應(yīng)用。
LM5175在降壓和升壓操作模式下均采用電流模式控制，以實(shí)現(xiàn)卓越的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)。開關(guān)頻率由外部電阻器編程，可與外部時鐘信號同步。
該設(shè)備還具有可編程軟啟動功能，并提供保護(hù)功能，包括逐周期限流、輸入欠壓鎖定（UVLO）、輸出過壓保護(hù)（OVP）和熱關(guān)機(jī)。此外，LM5175還具有可選的連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）或不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）操作、可選的平均輸入或輸出電流限制、可選的用于降低峰值EMI的擴(kuò)頻，以及在持續(xù)過載條件下可選的hiccup模式保護(hù)。
圖 1：具有峰值/谷電流模式控制器的四開關(guān)同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器原理圖。功率級大電流連接用紅色表示。
功率級操作模式
圖 1 是具有 4.5V-42V 輸入范圍和 12V 輸出的四開關(guān)降壓-升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的示意圖。如本視頻演示中所述，該轉(zhuǎn)換器具有三種特定的操作模式，具體取決于相對于穩(wěn)壓輸出電壓設(shè)定點(diǎn)的輸入電壓：
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V IN > V OUT的降壓模式。
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V IN < V OUT的升壓模式。
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V IN接近 V OUT的降壓-升壓轉(zhuǎn)換模式。
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使用等效電路將功率級建模為降壓級和升壓級的級聯(lián)連接，我們可以根據(jù)工作模式找到每個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的相關(guān)占空比。這是在輸入電壓和輸出電流范圍內(nèi)獲得效率和功率損耗的第一步。
轉(zhuǎn)換器功率損耗
轉(zhuǎn)換器功率損耗是最顯著的組件功率損耗，并將在此處對其進(jìn)行總結(jié)。我匯總了損耗以衡量它們對轉(zhuǎn)換器效率的影響；見圖 2。
· 功率 MOSFET 損耗：
· 與 R DS(on)相關(guān)的傳導(dǎo)損耗。
· 開關(guān)損耗，包括體二極管反向恢復(fù)
· 體二極管傳導(dǎo)造成的死區(qū)時間損失。
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電感銅損和磁芯損耗。
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分流電阻損耗。
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柵極驅(qū)動器損耗。
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脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器偏置電源和靜態(tài)損耗。
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圖 2：四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器效率和組件功率損耗擊穿與輸入電壓的關(guān)系，V OUT = 12V。
對這些損耗有本能的理解——尤其是對于需要減小尺寸的高密度設(shè)計(jì)——不僅有助于選擇組件，而且為優(yōu)化熱設(shè)計(jì)和印刷電路板 (PCB) 布局鋪平了道路。我使用提供 12V、6A 負(fù)載的400kHz 四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)測量了圖 2 中的曲線。該設(shè)計(jì)在 6:1 的輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過 95% 的效率。在降壓-升壓轉(zhuǎn)換模式下，當(dāng) V IN等于 V OUT時達(dá)到峰值效率。
顯然，在推動更小尺寸 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案的過程中，我們可以成功地將通常相互排斥的兩個特性結(jié)合起來：更低的組件溫度和更高的可用功率。
