降壓穩(wěn)壓器的效率／尺寸權衡

作者：Timothy Hegarty

作為一名應用工程師，我知道降壓穩(wěn)壓器的實施不可避免地要涉及效率與尺寸的權衡。盡管這一原理適用于眾多開關模式 DC/DC 拓撲，但當應用需要低輸出電壓和高輸出電流（例如 1V 和 30A）時，這一原理就不一定適用了，因為這需要可平衡效率與尺寸的小型電源解決方案。

高效率是重要的性能基準，不僅可減少功率損耗與組件溫度上升，而且還可在給定氣流與環(huán)境溫度條件下帶來更多有用功率。從這個觀點來看，低開關頻率非常具有誘惑力，但同時需要大型濾波器組件來滿足輸出紋波與瞬態(tài)響應等目標規(guī)范的要求，因此成本和尺寸會隨之增加。

專門用于電源管理的 PCB 面積是系統(tǒng)設計人員所面臨的一個巨大制約條件。對于這個問題，我們先來回顧一下高開關頻率的各項優(yōu)勢。首先，電感和電容需求會隨頻率上升而降低，從而可實現(xiàn)更緊湊的 PCB 布局以及更小的尺寸外形。更低的電感不但可實現(xiàn)更快的大型信號電流變化以及更高的控制環(huán)路帶寬，而且還可實現(xiàn)更快的負載瞬態(tài)響應。根據(jù)經驗，最大環(huán)路帶寬是開關頻率的 20%。最后，在較高頻率下在組件選擇方面會出現(xiàn)一些有趣的選項。

例如，我們可以看看這款穩(wěn)壓器設計，其可通過仔細選擇組件實現(xiàn)最佳的效率／尺寸／成本。

（1） 電感器 — 盡管鐵粉芯電感器或組合鐵芯電感器可在低頻率下提供很好的性能，但更高的鐵芯損耗會否定其頻率超過 500kHz 左右時的價值定位。在這一點上，超低 DCR 鐵氧體磁性材料更容易實現(xiàn)較低的銅損耗和鐵芯損耗。注意，鐵芯損耗相對來說比較容易測量，只需關注轉換器空載輸入電流即可。采用單匝訂書針形繞組的鐵氧體電感器目前提供廣泛的現(xiàn)成選項，而如果只需要一個繞組圈數(shù)，就很容易實現(xiàn)低于 1mΩ 的 DCR！

（2） PWM 控制器 — 現(xiàn)在，如果設計特別需要鐵氧體芯電感器的硬飽和特性，那么一定不能超過電感器的飽和電流。這就需要一款可充分利用寄生電路電阻實現(xiàn)精確無損電流傳感的 PWM 控制器（閱讀我之前的博客《在大電流轉換器中實現(xiàn)精確而無損的電流傳感》，了解有關該主題的更多詳情）。其它主要特性包括高效率柵極驅動器、遠程 BJT 溫度傳感以及快速誤差放大器等。

（3） MOSFET — 功率半導體器件是改善效率與尺寸的基礎。以功率塊 NexFET? 系列為例，其被廣為稱道的優(yōu)勢在于通過垂直疊加的方式創(chuàng)新地將高側及低側 MOSFET 進行聯(lián)合封裝。在頻率比例損耗值得關注時，需要低 QG、QRR 與 QOSS 電荷。此外，低 RDS（ON）、大電流銅夾、開爾文柵極連接以及接地選項卡也很重要。

（4） 電容器 — 在較高頻率下，陶瓷電容器要比電解電容器更受青睞。大量輸出能量存儲現(xiàn)已變得非常多余了，因為控制環(huán)路會對瞬態(tài)需求作出迅速響應。陶瓷產品不僅可提供更低的 ESR，而且還可提供更低的 ESL，可緩解由電感分割效應與低濾波器電感引起的輸出紋波。

還有哪些其它因素會影響穩(wěn)壓器的效率與尺寸？近期流行的主題包括 GaN MOSFET、電源系統(tǒng)封裝 （PSIP） 以及片上電源系統(tǒng) （PSOC） 等。請告訴我您的想法？