根據系統要求，電源設計人員必須在尺寸，效率，成本，溫度，精度和瞬態響應方面做出許多權衡，然后才能選擇合適的降壓或降壓DC/DC轉換器應用。最近，滿足能源之星規范或其他綠色模式標準的需求使能效在降壓轉換器中越來越受歡迎。因此，出于效率，密度和低成本的原因，同步降壓轉換器被廣泛部署。但同步降壓轉換器在所有條件下都是最節能的選擇嗎？答案是不。在更高的占空比和更輕的負載條件下，非同步降壓轉換器可以以低成本提供更高的轉換效率。因此，對于輕負載性能超過其他標準的應用，非同步降壓轉換器可能是比同步DC/DC解決方案更好的選擇。

為了更好地理解使用非同步降壓電路的優缺點，首先要了解同步和非同步拓撲的定義以及它們之間的關鍵差異，這一點很重要。在回顧了這些差異之后，本文研究了輕載時非同步降壓轉換器的效率性能，并將其與同類降壓轉換器在類似負載條件下的效率性能進行了比較。該比較使用德州儀器（TI）的同步轉換器TPS54325和非同步轉換器TPS54331完成。

非同步和同步拓撲結構傳統上，開關電源轉換器使用整流二極管來獲得直流輸出電壓1，如圖1所示。被稱為非同步拓撲結構，整流二極管D1的正向壓降對于轉換器的總傳導損耗，它是正向壓降和正向傳導電流的乘積。特別是對于低壓，高電流轉換器應用，該整流器傳導功率損耗變得占總轉換器損耗的更大百分比，從而降低降壓轉換器的效率。

圖1：非同步降壓拓撲結構使用整流二極管D1來獲得直流輸出電壓。在低電壓和高輸出電流下，二極管的導通損耗占總轉換器損耗的百分比更大。

通過用作為同步整流器（SR）的MOSFET Q2替換整流二極管D1，可以降低等效的正向壓降，并降低相應的傳導損耗1（圖2）。這是因為SR MOSFET的低導通電阻特性降低了歐姆損耗。但是，在較高電流下，MOSFET導通電阻的下降可能超過二極管的下降。然而，這種限制通常通過并聯兩個或更多個SR MOSFET來解決。在電流要求非常高（》 32 A）的應用中，并聯兩個SR MOSFET可以進一步降低導通電阻和相應的損耗。這種并聯對于非同步拓撲的整流二極管是不實用的。

圖2：在同步整流中，同步整流器（SR）MOSFET Q2取代整流二極管以降低傳導損耗。

關鍵差異為了展示非同步降壓轉換器在特定應用中的優勢，例如輕負載條件，德州儀器產品營銷經理Rich Nowakowski和系統工程師Ning Tang將兩種轉換器拓撲的效率性能進行了比較在通常在消費者設備中發現的典型負載點（POL）應用中。結果顯示在他們的文章“同步與非同步降壓轉換器的效率”中。如上所述，為此比較選擇的部件是同步降壓轉換器TPS54325和非同步版本TPS54331。同步TPS54325提供集成的高端MOSFET Q1，導通電阻為120mΩ，低端SR功率MOSFET Q2片上，導通電阻為70mΩ，非同步版本TPS54331僅配備高端MOSFET Q1集成在片上，典型導通電阻為80mΩ。在這種情況下，二極管D1位于該轉換器芯片外部，如圖3所示。為此比較選擇的輸入電壓軌為12 VDC，輸出電壓低于3 A時輸出電壓為1至3.3 VDC。

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圖3：非同步降壓轉換器TPS54331僅帶有集成在片內的高端MOSFET Q1，典型導通電阻為80mΩ。如圖所示，二極管D1在該降壓轉換器芯片的外部。

在剛剛提到的文章中（參見參考文獻2），TI工程師提供了一些選擇外部整流二極管D1的技巧。根據本說明，在為非同步降壓轉換器選擇整流二極管D1時，電源設計人員必須考慮三個關鍵規范。這些包括反向電壓，正向電壓降和正向電流。雖然額定反向電壓必須至少比開關節點的最大電壓高2 V，但正向壓降應該很小，以提高效率。此外，TI app文件指出峰值電流額定值必須大于最大輸出電流加上峰峰值電感電流的一半。 TI還提醒說，在低輸出電壓下，D1作為鉗位二極管工作，比高端MOSFET傳導更多電流。第四個考慮因素是設計人員必須確保所選二極管的封裝能夠處理功耗。

考慮到這些要點，TI工程師為非同步轉換器TPS54331選擇了Diodes Inc.二極管B340A。它提供40 V的反向額定電壓，0.5 V的正向壓降和3 A的正向電流額定值。根據所需的輸出電壓VOUT，表1提供了非同步降壓轉換器的無源元件值圖3中的電路。

VIN（V）VOUT（V）FSW（kHz）LO（μH）CO RO1（KΩ）RO2（KΩ）C2（pF）C1（pF）R3（KΩ）12 5 570 6.8陶瓷33μFx2101.91 39 4700 49.9 12 3.3 570 6.8陶瓷47μFx210 3.24 47 1000 29.4 12 1.8 570 4.7陶瓷100μF108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3陶瓷100μFx210 80.6 56 5600 29.4 12 5 570 6.8鋁330μF/160mΩ101.91 68 120 29.4 12 3.3 570 6.8鋁470μF/160mΩ103.24 82 220 10 12 1.8 570 4.7 SP100μF/15mΩ108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3 SP330μF/15mΩ1080.6 100 1200 49.9

表1：圖3中基于TPS54331的降壓轉換器電路的無源元件值。

測量效率性能

由于效率由總轉換器損耗決定，包括co提示，開關和靜態電流，用于計算高側和低側MOSFET中這些損耗的公式在TI論文中給出。它還提供了計算非同步降壓電路整流二極管功耗的公式。這些方程清楚地表明，有幾個因素會影響非同步和同步降壓轉換器的效率，例如漏極 - 源極電阻，漏極 - 源極正向電壓，占空比，頻率和功率MOSFET上升和下降時間。

由于電感器的交流和直流損耗以及輸出電容的等效串聯電阻也會導致整體轉換器損耗，因此TI工程師為這兩種轉換器電路配置了相同的LC濾波器。根據TI應用期刊文章中提供的結果，盡管兩個器件的固定開關頻率略有不同，但影響并不是改變該演示的結論.2

對于12 V的直流輸入電壓，測量效率圖4和圖5繪制了兩個降壓轉換器在1.5和2.5 V直流輸出電壓下的性能。圖4顯示，在滿負載時，基于TPS54325的同步電路在1.5 V輸出時提供更高的效率，因為它具有低占空比（盡管TPS54325具有高端漏極 - 源極電阻，但正向壓降為0.5 V的非同步降壓轉換器的功率二極管比同步電路的70mΩSRMOSFET消耗的能量更多。但是，在輕負載時，非同步轉換器優于同步解決方案。

圖4：在低占空比時，同步降壓轉換器在滿負載時提供更高的效率，但在低負載時效率低于非同步電路。然而，當12 V輸入的2.5 V輸出時占空比增加到21％時，非同步轉換器的低端整流二極管的功耗顯著下降，從而提高了所有負載的效率。圖5比較了非同步轉換器TPS54331與TPS54325同步解決方案的效率性能。結果表明兩個轉換器的滿載效率幾乎相同，而在低負載時，非同步轉換器提供了更高效的性能。

圖5：在具有12 V輸入的2.5 V輸出時，與TPS54325的同步解決方案相比，非同步降壓轉換器TPS54331在較輕負載時的效率性能要高得多。

除了在輕負載下采用非連續導通模式（DCM）外，非同步轉換器TPS54331還采用稱為Eco模式的脈沖跳躍技術，可提高輕載效率。這種工作模式可以減少功率MOSFET的開啟次數，從而降低開關損耗。總之，本文已經表明同步降壓轉換器并不總是更有效，并且非同步效率可以在輕負載和更高占空比時優于同步轉換器。