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TI工程师提供开关模式电源 (SMPS) ——降压转换器拓扑结构
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2020-10-21
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本文对开关模式电源的拓扑结构进行了对比。本文对当前新型 SMPS 降压转换器和控制器解决方案作了详细说明,以帮助设计人员在降低信息娱乐、车身、传动系和底盘应用车载系统成本的同时进行创新并增加市场机会。
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TI工程师提供开关模式电源工程师提供开关模式电源 (SMPS) ——降压转换器拓扑结构降压转换器拓扑结构
本文对开关模式电源的拓扑结构进行了对比。本文对当前新型 SMPS 降压转换器和控制器解决方案作了详细说
明,以帮助设计人员在降低信息娱乐、车身、传动系和底盘应用车载系统成本的同时进行创新并增加市场机
会。
由于当前有许多不同的半导体,因此在为车载应用设计一款降压或降压模式转换器时就可能会用到广泛的拓扑结构(请参见
图 1)。本文对不同的拓扑结构进行了高层次的概述。
图 1
外部开关与集成开关外部开关与集成开关
降压转换器解决方案有许多集成开关和外部开关,后者通常被称为步降或降压控制器。这两种方案具有明显的优缺点,因此在
两种方案之间进行选择时必须要考虑到其各自的优缺点。
许多内部开关都具有低组件数量的优势,这一优点使这些开关拥有较小的尺寸,可以用于许多低电流应用中。由于其集成性,
在表现出良好 EMI 性能的同时,它们均可以在高温或其他外部可能出现的受影响的条件下得到保护。但是它们也有不足之
处,即电流和散热极限问题。而外部开关则提供了更大的灵活性,电流处理能力仅受外部 FET 选择的限制。在负极侧,外部
开关具有更多的组件数量且必须得到保护以免受到潜在问题的损坏。
为了处理更高的电流,当然开关也要更大些,这就使得集成更加昂贵,因为其需要占用硅芯片更大的宝贵空间并且可能需要采
用更大的封装。另外功耗问题可能也是一个难题。因此,根据推理我们可以得出这样的结论:对于较高的输出电流(通常高于
5A)而言,外部开关是其上佳之选。
同步整流与异步整流同步整流与异步整流
仅具有一个开关的异步或非同步整流器降压转换器要求在低位通路中有一个续流二极管,而在具有两个开关的同步整流器降压
转换器中,第二个开关取代了上述续流二极管(请参见图 2)。与同步解决方案相比,虽然异步整流器具有可提供较为便宜的
解决方案的优点,但是其效率却不是很高。
图 2
利用一个同步整流器拓扑并把一个外部肖特基二极管与低位开关并联将可以获得最高的效率。相对于肖特基二极管,由于
在“开启”状态下存在一个较低的压降,因此这种低位开关的更高复杂度提高了效率。在停滞时间期间(两个开关均处于关闭状
态),与 FET 内部背栅二极管相比,外部肖特基二极管具有更低的压降性能。
外部补偿与内部补偿外部补偿与内部补偿
一般来说,采用外部开关的降压控制器可提供外部补偿,因为他们所适合的应用非常广泛。外部补偿有助于控制环路适应各种
外部组件,如:FET、电感以及输出电容。
对于具有集成开关的转换器而言,一般都会用到外部补偿和内部补偿。集成补偿实现了极快的工艺验证周期以及较小的 PCB
解决方案尺寸。
内部补偿的优势可以概括为易用性,因为只需要对输出滤波器进行配置、快速设计、较低的组件数量以及因此带来的低电流应
用小尺寸解决方案。其缺点就是灵活性较差且输出滤波器必须服从于内部补偿。然而,外部补偿却提供了更大的灵活性,可以
根据所选的输出滤波器对补偿进行调整,同时,对于较大电流而言,该补偿可以是一个较小的解决方案,但是这种应用更为困
难。
电流模式控制与电流模式控制与电压电压模式控制模式控制
在图 1 所描述的拓扑结构中,仍然存在许多可以进一步差异化的方面。例如,调节环路的拓扑以及所使用的开关类型就可以
是不同的。
调节器本身可以以电压模式或电流模式进行控制。在电压模式控制时,输出电压为控制环路提供了主反馈,且前馈补偿通常是
通过使用输入电压作为一个次级控制环路来实施的,以增强瞬态响应行为。在电流模式控制时,电流为控制环路提供了主反
馈。根据控制环路的不同,其可以是输入电流、电感电流或输出电流。次级控制环路为输出电压。
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