缩减高效电源转换器尺寸和成本

中心议题：
        *缩减高效电源转换器尺寸和成本

作为分布式电源架构(DPA)的一部分，负载点转换器集成了电源控制和开关功能，有助于减少器件的数量和印刷电路板(PCB)的占用面积，并提升电源的转换效率。传统DPA的演进意在消除中间转换环节，直接从更高且稳定的总线电压给负载点供电。这种方法可以避免在传统两级架构中产生的转换损耗。

来自节省能源、尺寸和成本的持续压力全面定义了服务器、电信基础设施、工业自动化和消费类产品等设备的电源设计要求。高能效和高集成度的负载点(POL)稳压器对于满足这些要求来说就变得特别重要。

作为分布式电源架构(DPA)的一部分，负载点转换器集成了电源控制和开关功能，有助于减少器件的数量和印刷电路板(PCB)的占用面积，并提升电源的转换效率。传统DPA的演进意在消除中间转换环节，直接从更高且稳定的总线电压给负载点供电。这种方法可以避免在传统两级架构中产生的转换损耗。

工程师可以在使用集成式负载点稳压器(如国际整流器公司的SupIRBuck系列)的各种系统中应用这种方法。这些器件在同一封装内充分整合了提供基准传导效率的HEXFET MOSFET和控制电路。

由于系列产品覆盖宽范围的输入电压，这些稳压器可以直接在如12V至27V的电压导轨下工作，因而不需要转换到较低的中间电压。SupIRBuck系列和类似器件还提供了内置保护特性和增殖功能，例如允许精确编程输出电压的精密电压参考。

为了确保在很宽的负载范围内都具有最佳的电源效率，稳压器控制方案的选择非常关键。SupIRBuck系列使用滞后的恒定导通时间(COT)调制技术，可以在从轻载到满载的整个工作范围内保持最佳的电能效率。

COT稳压

与传统电压模式稳压器通过调制占空比保持电压稳定不同，COT控制器调制的是开关频率。为了保持恒定的导通时间，开关频率将随负载电流增加而增加，以便提供所需的能量。

相反，当负载电流减小时，开关频率将随之降低。这个规律使得COT控制器可以在很宽的负载范围内保持高能效值，而恒定频率控制器使用跳周方法来避免轻载时的低效率工作。

图1给出了具有恒定导通时间控制特性的稳压器的主要功能模块。原则上，滞后的COT控制技术通过比较反馈电压纹波与内部参考电压来维持输出的稳定。

图1：原则上，滞后式COT控制技术通过比较反馈电压纹波与内部参考电压来保持输出电压稳定。

在启动期间，软启动电压要低于稳压器的参考电压。在这个阶段，软启动电压用作内部参考以确保平滑的输出电压上升。当软启动电压达到稳压器的参考电压之后，反馈电路将跟踪稳压器的参考电压，而软启动电压可能继续增加。

当反馈电压纹波下降至低于内部参考电压时，比较器将发出一个信号使高侧功率MOSFET导通，并保持一段时间，这段导通时间由FF和VIN(输入电压)引脚之间连接的电阻编程设定。

经过这个电阻的电流被镜像后用于控制电容的充电速率，当电容电压达到导通时间参考电压时，将触发高侧MOSFET的关断和低侧MOSFET的导通。这样，高侧MOSFET的导通时间反比于输入电压，即输入电压增加时，导通时间将缩短；输入电压降低时，导通时间将增加。

一旦启动触发信号，低侧MOSFET将在尽可能短的时间内保持导通，以便给自举电容充电。在正常操作或连续导通模式(CCM)期间，当高侧MOSFET导通时，低侧MOSFET将关断。SupIRBuck稳压器通过自适应死区时间控制来防止器件击穿。

轻载效率

在轻载条件下，COT控制器可以工作在非连续导通模式(DCM)，最大限度地减少功率损失。当电感电流纹波超过负载电流时，电感电流可以按反向流动，为输出电容放电。

为避免反向电流流动并防止不必要的功率损失，当电感电流纹波达到零时，低侧MOSFET将关断。这是通过用比较器监控电感电流将要反向流动时的开关节点电压和信号来实现的。当高侧和低侧MOSFET同时关断时，电感电流将保持为零。

当反馈电压放电到低于内部参考电压时，后续的开关周期就开始了，开关频率则是依据负载使输出电容放电的速度来进行调制。因此，轻载条件下的开关频率将降低，从而有效减少了开关和栅极驱动损耗，而这些损耗是轻载时主要的功率损耗因素。

由于COT控制器是使用比较器而不是误差放大器来比较反馈电压纹波与内部参考电压，因此一般不需要外部补偿网络，从而减少了元器件的数量和总体设计的复杂性。

另外，由于这种方案的响应时间仅受高侧MOSFET的恒定导通时间和低侧MOSFET的最小导通时间所限制，因此COT控制器还能提供卓越的瞬态响应特性。当负载逐步增加时，COT控制器可以迅速达到稳定状态，并且下冲非常小(图2)。

图2：当负载逐步增加时，控制器可快速达到稳定状态，并且下冲很小。与其它优点相比，这种特性可确保系统从低功耗或待机模式快速恢复到满载稳定工作状态。

这是COT控制器的一个优势所在，能够确保从低功耗或待机模式快速恢复到满载稳定的工作状态。相反，当负载减少时，可以在短至一个开关周期内重新到达稳定状态，因为高侧MOSFET不会导通，除非反馈电压下降到内部参考电压以下。

设计工具

采用COT控制技术的IR347x系列SupIRBuck稳压器覆盖了从6A至15A的宽负载范围，并且集成了关键的系统管理和保护功能，包括过温保护、热补偿过流保护、过压/欠压保护、预偏置启动功率正常输出及一个带电压监视功能的使能输入。整个系列器件采用4mm×5mm或5mm×6mm的功率方形扁平无引线(PQFN)封装，而且可扩展到更高的额定电流值。

共有6种评估板可供选择，支持用于27V输入应用的IR347x系列及IR3863和IR3865 12V输入器件。IRDC347x评估板可以帮助开发人员解决工作电压导轨高达27V的轻工业和电池供电设备等应用所面临的电源转换挑战(图3)。IRDC特别适用于以第二代Intel内核处理器为目标的计算项目以及包括打印机、液晶电视和游戏机在内的消费类DC-DC应用。

图3：IRDC347x评估板可以帮助开发人员解决工作电压导轨高达27V的轻工业和电池供电设备等应用所面临的电源转换挑战。

本文小结

如今，成功的电源设计不仅取决于能否满足最终用户对符合生态设计的更绿色产品的要求，而且取决于是否能够提供具有更低成本、更高性能和可靠性的产品。

结合恒定导通时间控制技术支持的高效率、瞬态性能和器件数量的减少优势，以及集成在同一封装内的基准功率MOSFET，如今的负载点转换器可以帮助设计人员满足上述这些目标要求，从而缩短产品的上市时间。

作者：Marian Chang

John Lambert