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Buck转换器的选择标准



简介

立锜具有非常广泛的降压型 DC / DC(Buck)转换器产品的组合,但要为您的应用选择合适的Buck转换器则非常具有挑战性。本指南将帮助您区分不同类型的Buck转换器,并将特别介绍在为应用选择最佳的器件时所需考虑的主要参数。



Buck转换器的基础知识

Buck转换器是一种开关模式的降压型转压器,它能提供在高压降比 (VIN/VOUT) 和高负载电流下的高效率与灵活性。其基本电路如图一所示。大多数Buck转换器的内部包含一个高侧MOSFET及由内部占空比之控制电路来切换的低侧同步整流MOSFET,用以调节平均输出电压。 其开关节点之波形由外部LC滤波器过滤;透过反馈回路检测输出电压,并控制高侧MOSFET的占空比,从而达到稳压功能。非同部器件无内部低侧MOSFET,仅在外部开关节点到地之间连接一个肖特基二极管。

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图一、Buck转换器之基本电路

MOSFET是在轮流通断的模式下,所以功耗很低;而藉由控制MOSFET的占空比,可达到高压降比 (VIN/VOUT)。内部MOSFET的导通电阻 (RDS(ON) ) 会决定Buck转换器的负载能力,而MOSFET的额定电压则决定其最大输入电压。



电压和电流绝对最大额定值的选择


应用之输入电压

在挑选合适的Buck转换器时,首先要考虑的参数是输入电压范围。立锜的Buck转换器主要可分为三类:

  • LVBuck转换器:输入电压 (VIN) 范围为2.5V 至 5.5V
  • 8V HVBuck转换器:输入电压 (VIN) 范围为4.5V 至 18V
  • HVBuck转换器:输入电压 (VIN) 范围为4.5V 至 36V。

LVBuck转换器最适用于单节锂离子电池供电的场合,但也可用于5V电源的应用中。

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图二、立锜降压转换器挑选流程

18V HVBuck转换器常用于12V电源的应用中,但因其具有宽电压范围,所以也能用于5V电源的应用。

而在 21V / 23V / 24V至36V的器件则有非常广泛的应用范围。 若输入电压的容差范围较大,或需Buck转换器来面对波动的输入电压的应用,通常会选用这些器件。36V器件通常用于如24V直流之工业供电的应用,或电源存在大幅波动如13.5V车用电池之汽车应用。


应用电流之消耗

在考虑Buck转换器的额定负载电流时,应用中所消耗的平均电流和最大电流都需要考虑到。

在应用中的平均电流必须比转换器的额定负载电流低,二者之间的差异和转换器的功耗与在应用中的散热条件有关。 此平均电流会决定开关MOSFET的热损耗,其中包括了导通损耗与开关损耗。导通损耗和内部MOSFET的导通电阻 (RDS(ON) ) 有关:即 I2* RDS(ON)。若高侧和低侧的 RDS(ON) 不一样,在考虑在应用中的降压比时,也须同时考虑高侧和低侧MOSFET的功耗。开关损耗则与电流、输入电压、和开关频率有关。在一般标准应用中,开关损耗大约是总损耗的30%;但在高输入电压或高频率的应用中,开关损耗会大幅增加。在应用中的总功率损耗可由规格书的效率曲线算出:然而要注意的是,此功率损耗还包括约占总损耗 10%〜20% 的电感损耗。IC所允许的最大功耗取决于IC的封装、PCB布局和应用中的最高环境温度。在进行PCB设计时将连接到IC接脚和封装的散热焊盘的铜线加宽可增加耗散功率的能力。

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图三、不同输出电压下的效率曲线

应用中的最大电流通常应和转换器的额定负载电流相同,有时甚至可略高一点。设计电路时,应确保最大负载电流不会触发转换器之过流保护(OCP)。Buck转换器会检测电感峰值电流(在ACOT器件中是谷值电流),规格书的OCP电流值即是指此电感电流峰值或谷值。负载电流和电感电流峰值或谷值之差是电感纹波电流的一半,故此纹波电流值也会影响最大应用负载电流和OCP电流值的关系。

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图四、Buck转换器的过流保护

 



轻载效率(PSM型或强制PWM型)

對於用於低功率待機模式的電源,最好能盡量提高降壓轉換器在輕載時的效率。在全負載範圍內,強制PWM型的降壓轉換器之開關頻率均為固定;也就是,若在輕載時使用高開關頻率,則絕大部分的損耗都會是由開關損耗所引起。

对于用于低功率待机模式的电源,最好能尽量提高Buck转换器在轻载时的效率。强制PWM型的Buck转换器之开关频率在全负载范围内均为恒定,若在轻载时使用高开关频率,则绝大部分的损耗都会是由开关损耗所引起。具提升轻载效率的Buck转换器会在轻载时降低开关频率,通常被称作脉冲省略模式(PSM**)。其操作原理如下:当负载减少时,电感电流之谷值会在特定点降到零,若是强制PWM型器件,其低侧MOSFET会持续导通,造成电感电流甚至变为负的。若是PSM型器件,其低侧 MOSFET会被关断,使开关节点浮接,直等到下一次高侧MOSFET导通。高侧MOSFET的最小导通时间决定电感的峰值电流,而平均电流只能透过降低开关频率而降低,也就是藉由调整内部频率达到省略脉冲的效果。PSM模式的电压调节主要是透过比较输出电压纹波的波谷与内部参考电压来达成。PSM模式可在轻载时将转换器的开关频率降到非常低,如几kHz,因此可减少开关损耗,进而大为提高轻载效率。

PSM模式会有一些缺点:

  • 输出纹波电压是一低频三角波,很难滤波。 根据PSM调节的模式和组件值的不同,其输出纹波电压之幅度可能会比在PWM模式下高;对某些负载而言,可能无法承受。
  • 当PSM模式转换器突然遇到一个阶跃负载,就会迅速从PSM切换到PWM模式;和强制PWM型的转换器相比,这种切换会出现较大的输出电压下冲。
  • PSM模式的平均电压通常比PWM模式略高(〜1%)。
  • 由于开关频率可变,PSM模式有时会造成对相邻敏感电路的干扰。

如果应用中无需提升轻载效率,最好是选择强制PWM型器件,因为它可在所有负载条件下提供较稳定的操作。

*在一些立锜文件中,强制PWM型被称作PWM模式、或连续操作模式等。
**在一些立锜文件中,PSM型被称作PWM / PSM、DEM、或非连续操作模式等。

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图五、PSM 型的优点与缺点



开关频率注意事项

Buck转换器的开关频率是很重要的参数。开关频率较高就能使用较小的电感和电容,而且对阶跃负载的响应较好。但是高频率会增加开关损耗,且使EMI辐射的频率范围变大。开关频率较高也会限制可实现的最大降压比,因为最小占空比受限于转换器的最小导通时间和开关频率:

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例如,tON min = 100nsec,转换器,其最小占空比为12%,它无法从12V降压至1.2V;一个800kHz的转换器,其最小占空比为8%,则可从12V降压至1.2V。

非常高频的Buck转换器(> 1MHz的)通常用于输入电压非常低的应用,如5V或更低,因为输入电压低,开关损耗较低,且这类应用的最大降压比也较小。

对于大多数12V的应用,开关频率在500kHz〜800kHz较适合,可同时兼顾开关损耗和器件尺寸。

在高电流与高输入电压(> 18V)的应用中,开关频率最好低于500kHz,以降低开关损耗,并取得高降压比。

Frequency effects.png

图六、Buck转换器之开关频率对纹波、瞬态响应与效率的影响



Buck转换器控制架构的选择标准

立锜的DC / DC产品组合包含了广泛且不同控制架构的Buck转换器,有电流模式(CM)、电流模式-恒定导通时间 (CMCOT) 、和立锜专有之先进恒定导通时间 (ACOT) 控制架构等。每种架构都有其优点和缺点,因此在为应用实际挑选Buck转换器时,最好能先了解每种架构的特点。

电流模式控制

CM.png

图七. CM Buck converter basic circuit diagram and operation waveforms

电流模式转换器有内部时钟产生器、误差放大器和电流检测。误差信号与检测到的峰值电流作比较,以控制高侧MOSFET的导通时间。一个新开关周期的开始是由时钟信号决定,所以该系统须在恒定的开关频率下操作。控制回路的带宽通常约为开关频率的 1/10。

电流模式Buck转换器

优点:

  • 稳定的恒定频率
  • 可与外部频率同步
  • 技术成熟
  • 可与 MLCC 稳定搭配

缺点:

  • 对快速负载跳变的响应较慢
  • 需误差放大器补偿
  • 需斜率补偿

如果应用中的负载电流相当稳定,就可使用电流模式Buck转换器。如果系统在某些频率易受噪声影响,最好采用电流模式Buck转换器,因能与外部频率信号同步,精确设置开关频率。在LV输入范围中,有许多电流模式Buck转换器可支持 100% 占空比的模式,使得VIN可以非常接近、或等于VOUT


电流模式-恒定导通时间 (CMCOT) 控制

CMCOT.png

图八. CMCOT Buck converter circuit diagram and operation waveforms

CMCOT Buck转换器没有内部时钟,高侧 MOSFET 总是导通一预定的恒定导通 (ON) 时间,而调节占空比则是藉由改变高侧 MOSFET 的关断 (OFF) 时间。CMCOT 转换器也有电流检测及误差放大器,只是现在是比较电流的下降斜率和误差放大器的输出。由于系统不需要等待下一个时钟脉冲的到来,所以能迅速地响应阶跃负载。一旦输出下沉时,误差放大器之输出电压就上升,只要触及电流的下降幅度,立即启动新的导通 (ON) 时间,使转换器之电流再次上升。

电流模式-恒定导通时间 (CMCOT) Buck转换器

优点:

  • 快速响应负载阶跃
  • 低侧电流检测
  • 最低导通时间小,占空比可较低
  • 恒定平均开关频率
  • 可与 MLCC 稳定搭配
  • 无需斜率补偿

缺点:

  • 需误差放大器补偿
  • 无法与外部频率同步
  • 负载瞬态变化时,开关频率会变化

如果应用中之负载具有适中的瞬态变化,就可以选择CMCOT架构的Buck转换器,减少负载瞬变期间的输出电压波动。和电流模式Buck转换器相比,CMCOT转换器可改善20%〜30% 负载瞬态的表现,且在低占空比之应用中,对噪声也较不敏感。由于最低导通时间小,CMCOT Buck转换器可用于较大降压比的应用中,而其开关频率在负载瞬变时会发生变化。


先进恒定导通时间 (ACOTTM)控制

ACOT.png

图九. CMCOT Buck converter circuit diagram and operation waveforms

ACOTTM转换器没有误差放大器及电流检测电路,它是直接将反馈信号(DC电压 + 纹波电压)与内部参考电压作比较。当反馈信号低于参考电压时,会启动一个新的恒定导通 (ON) 时间,电感电流也因此而上升。若输出电压尚未恢复,在一个很短的空白期 (blanking period) 之后,即会启动另一导通 (ON) 时间,直到电感电流上升至负载电流,且输出电压也恢复至预定值。为了使转换器能稳定搭配低ESR的陶瓷输出电容,内部脉冲整型调节器 (PSR) 会产生一脉动信号,并加到转换器的输出纹波和DC电压;相加后,再与内部参考电压进行比较。当此相加电压低于参考电压时,比较器则会启动导通时间产生器 (ON Time Generator)。

输出电压突然下降会立即启动新的导通 (ON) 时间,且只要输出电压尚未恢复,转换器可连续地启动导通 (ON)时间,因此ACOT 架构能极快速地响应负载的瞬态变化。

内建的特殊锁频回路系统会慢慢调整导通时间,以调节平均开关频率至预定频率。

先进恒定导通时间 (ACOTTM) Buck转换器

优点:

  • 极快速响应负载的阶跃变化
  • 无需电流检测
  • 最低导通时间小,占空比可较低
  • 恒定的平均开关频率
  • 可与 MLCC 稳定搭配
  • 无需斜率补偿

缺点:

  • 无法与外部时钟同步
  • 动态负载造成很大的开关频率 (FSW) 变化

如果应用中之负载具有极快速的瞬态变化(如负载为CPU内核和DDR存储器所看到的情形),最好是选择ACOT Buck转换器,其负载瞬变的响应可改善 2 至 4 倍,且可使用小输出电容。ACOT 转换器特别适用于低占空比的应用。由于它最小导通时间非常小,有高开关频率之 ACOT Buck转换器仍可适用于需较高降压比的应用之中。在负载瞬态变化时,ACOT转换器的开关频率也会产生很大的偏移。ACOT本身无回路补偿和斜率补偿,加上极快速的回路响应,使得 ACOT的电路设计简单、有弹性且成本低廉。



Buck转换器的其它选择标准


外部软启动

立锜所有的Buck转换器都具有软启动功能。在转换器启动后,占空比会逐渐增加,使输出电压平稳上升,这样可避免因突然对输出电容充电而产生的浪涌电流。有内部软启动的转换器会有一恒定的软启动时间。如果应用中需使用非常大的输出电容或需要特定的软启动时间,则最好选择由外部控制软启动的转换器,其软启动时间可由外部电容来设定。


外部补偿

电流模式转换器的误差放大器需要补偿,以确保电路的稳定。 II 型补偿元件决定转换器的带宽及相位。可外部补偿的转换器,即使在不同类型的输出电容、较宽的输入和输出电压范围的条件下,要设定所需的带宽和相位边限时,都较有弹性。


可设定频率

有些转换器有设定频率的功能:即开关频率可藉由外部电阻来设定,提供选择最佳开关频率的弹性。选择高频率可降低纹波、器件尺寸,也有较好的瞬态表现。选择低频率则可提高效率,或降低高阶的谐波。


外部同步输入

有些电流模式转换器具有外部同步输入,使内部时钟与外部时钟信号同步,如此可精确设定开关频率(在较敏感频段,可避免噪声),也可同时使多个转换器操作于相同频率。


低压差模式或100% 占空比模式

许多LV系列之电流模式Buck转换器具有低压差模式之功能:当输入下降时,这些Buck转换器会慢慢增加占空比,而当输入电压低于调节的目标电压时,则会持续导通高侧MOSFET。这种功能特别适合于电池供电的应用;当电池电力几乎耗尽时,能延长电池使用时间。


电源良好(Power Good) 之功能:

电源良好(Power Good) 之功能是监控Buck转换器的输出信号,并告知系统输出电压在特定的工作范围的信号。
电源良好(Power Good),可用于系统初始化、故障保护、或启动程序。


过电流保护:

立锜所有的Buck转换器都有过电流保护(OCP)。当电感电流超过OCP值时,转换器的占空比会被限制住。若负载继续增加,将导致输出下沉。然而,在过载发生时,系统会有几种不同的处理方式:

  • 闭锁模式OCP:当过载发生、输出电压低于欠压保护(UVP)值时,系统会关闭并锁住。该转换器需要被重新启用或重新加电以重新启动。这种方式可确保过载之后零功耗,但无法自动重启。
  • 打嗝模式OCP:当过载发生、输出电压低于欠压保护(UVP)值时,系统会关闭,并以软启动重新启动。过载持续发生就会看见关闭 / 重启的周期持续发生,也称为打嗝模式。打嗝模式的优点是低平均过载电流,且过载情况消失后,可自动重启。
  • 无欠压保护 (UVP):当过载发生时,输出电压降低,但没有欠压保护(UVP)。在过载期间,系统持续以OCP电流操作。当过载情况消失后,输出电压即立即恢复。但持续以OCP电流操作,在长期过载的情况下,会造成温度增加。


选择IC封装的注意事项

立锜的Buck转换器采用许多类型的封装:从微小型的CSP1.3x2.1mm、具成本效益的TSOT23-6、到较大尺寸的散热增强型TSSOP-14。

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图十:立锜的Buck转换器所用的各种IC封装

有多种因素会决定何种IC封装最适合您的应用:

Technical Document Image Preview在某些应用中,IC之高度和PCB空间都有严格限制(如手机和平板计算机或其他小型便携设备),所以最好的就是CSP封装。这种封装必须配合使用多层PCB布局,且它们需要较精确的放置与焊接。

 


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SOP-8(带外露式散热焊盘),DFN2x2和DFN3x3封装常用于Buck转换器:其接脚数有6〜12支接脚,方便增加额外功能,而也因有裸露的散热焊盘,他们能提供良好的散热性能,且成本较低,所以常被各种应用所采用。可用单层PCB布局;但若要有较好的散热性能和电气性能,则建议使用多层PCB 布局。

 


 

Technical Document Image Preview像TSSOP-14 或WDFN-14L 4x3 等大型封装会有较大的散热焊盘,所以可以耗散较多的功率。在PCB上,需要将散热焊盘连接到较宽的铜线,并使用通孔连于内层,以提高PCB的降温性能。


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Technical Document Image Preview成本最低的封装中,TSOT23-6和SOT23-8都是很好的选择。 6脚的封装对基本Buck转换器而言是够用的,而8脚的封装则可提供如软启动或 PGOOD 等额外的功能。这些封装没有散热焊盘,所以大部分IC的散热就是透过封装接脚而到PCB的铜线。硅晶粒有两种不同组装的方式:传统的焊线式 (wire-bonding) 和覆晶式 (flip-chip)。和传统的焊线式封装相比,覆晶式SOT-23-6封装的主要优点是它的电气性能和散热性能都较好。


综览TSOT-23-6封装采用传统焊线式与覆晶式组装之比较:

焊线式

覆晶式

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硅晶粒粘合到中间的接地引线;晶粒的其他电气连接是经由焊线连至导线架的接脚,其中焊线 (bonding wire) 通常是25-38µm金或铜导线。

硅晶粒的正面透过焊柱直接贴着于导线架,因此直接由硅晶粒传导热能与电至导线架。

电气性能差异:

这些细焊线会在重要的电路节点上增加电阻、电感和杂散电容,因而降低高频开关转换器的性能。

焊柱的长度非常短,电阻、电感和杂散电容都显著地降低,所以I2R和开关造成的损耗都因此而降低,同时也减少发热量。

散热性能差异:

这些细焊线是很差的热导体,所以无法将大多数产生的热能从接脚传递出去。主要的热传导是从晶粒的背面通过粘合剂到中间的接地接脚,因此在中间接脚上会产生热点。

所有的接脚都如同小散热片,可有效降温,因此有更多的热能从封装传递到PCB,使晶粒温度降低。

Technical Document Image Preview为避免焊线的额外电阻,高输出电流(≥ 6A)的Buck转换器也常使用覆晶式技术。这些器件会使用有特殊导线架的UQFN封装,达到与硅晶粒优化的连接,因而降低总导通电阻 (RDS(ON) )。要使封装降温达到优化,在PCB布局上要加宽连接到IC接脚的铜线,并且用散热通孔连于内层板,以增加PCB的散热效果。

 

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立锜规格书中,器件型号的最末位标示为 “ F “ 的,即为覆晶式封装。

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