降壓轉換器

從今天開始簡單解析一些常見的拓撲結構和控制方法，首先從降壓轉換器開始。

顧名思義，降壓轉換器只能產生比輸入電壓更低的平均輸出電壓。具有降壓轉換器開關波形的基本原理圖如圖1所示。

圖1. 降壓轉換器結構與工作原理

在降壓轉換器中，開關管（Q1）與輸入電壓源VIN串聯。輸入源VIN通過開關管和電感和電容組成的低通濾波器為輸出供電。

工作原理

在穩定工作狀態下，當開關導通一段TON時，輸入為輸出和電感(L)提供能量。在TON期間，電感電流流過開關，VIN和VOUT之間的電壓差施加到電感，如圖1(C)所示。因此，電感器電流IL從其當前值IL1線性上升到IL2，如圖1(E)所示。

在TOFF期間，當開關斷開時，電感器電流繼續沿相同方向流動，因為電感器內的存儲能量繼續提供負載電流。二極管D1在Q1關斷期間(TOFF)完成電感器電流的續流；因此，它被稱為續流二極管。在此TOFF期間，輸出電壓VOUT反向施加在電感上，如圖1(C)所示。因此，電感電流從其當前值IL2減小到IL1，如圖1(E)所示。

如圖中（E）所示，在這種情況下電感的電流是連續的，在一個開關周期（TS）內永遠不會達到零，這種工作模式稱為連續導通模式。在連續導通模式中，輸出和輸入電壓之間的關系由公式1給出，

公式1：降壓轉換器VOUT / VIN關系

其中D被稱為占空比，由公式2給出，

公式2：占空比

如果輸出與輸入電壓之比小于0.1，則建議選擇兩級的降壓轉換器，這意味著在兩次降壓操作中降壓，因為壓差太大會導致器件應力過大，效率會降低很多。雖然降壓轉換器可以工作在連續導通模式下也可以是非連續導通模式下，但它的輸入電流總是不連續的，如圖1(D)中所示。這導致比其他拓撲結構更大的電磁干擾（EMI）濾波器。

電感值的選擇

在設計降壓轉換器時，總是需要在電感和電容尺寸選擇之間進行權衡。

較大的電感值意味著多次轉向磁芯，但在輸出電容上可以看到較小的紋波電流（<滿載電流的10％）; 因此，電感上的損耗會增加。此外，較小的紋波電流使電流模式控制幾乎不可能實現（有關電流模式控制技術的詳細信息，請參閱“控制方法”）。因此，在轉換器中可以觀察到較差的負載瞬態響應。

較小的電感值會增加紋波電流。這使得電流模式控制的實現更容易，結果轉換器的負載瞬態響應得以改善。但是，高紋波電流需要低等效串聯電阻（ESR）輸出電容，以滿足峰峰值輸出電壓紋波要求。通常，為了實現電流模式控制，電感器處的紋波電流應至少為滿載電流的30％。

前饋控制

在降壓轉換器中，通過引入輸入電壓前饋控制，可以最小化輸入電壓變化對輸出電壓的影響。與使用模擬控制方法相比，使用具有輸入電壓感應的數字控制器時，很容易實現前饋控制。在前饋控制方法中，在輸入電壓的變化實際上影響輸出參數之前，一旦在輸入電壓中檢測到任何變化，控制器就開始采取適當的自適應動作，我們后續講到的峰值電流模式控制就有這種前饋特性。

同步降壓轉換器

當輸出電流要求高時，續流二極管D1上的過多功率損耗限制了可以實現的最小輸出電壓。為了減少高電流損耗以及實現更低的輸出電壓，續流二極管可由具有極低導通狀態電阻RDSON的MOSFET代替。該MOSFET與降壓MOSFET同步導通和關斷。因此，這種拓撲結構稱為同步降壓轉換器。此同步MOSFET需要柵極驅動信號，它是降壓開關柵極驅動信號的補充。

因為MOSFET可以在任一方向上導通; 這意味著如果由于輕負載導致電感中的電流達到零，則應立即關閉同步MOSFET。否則，由于輸出LC諧振，電感電流的方向將反轉（在達到零之后）。在這種情況下，同步MOSFET則會充當輸出電容的負載，并通過MOSFET中的RDSON（導通狀態電阻）消耗能量，導致在非連續工作模式下功率損耗增加（電感電流在一個開關周期達到零）。如果降壓轉換器電感器設計用于中等負載，但需要在無負載和/或輕負載下運行，則可能發生這種情況。在這種情況下，如果在電感器達到零之后沒有立即關斷同步MOSFET，則輸出電壓可能會低于調節限值。

多相同步降壓轉換器

設計單個同步降壓轉換器以在低輸出電壓下提供超過35安培的負載電流幾乎是不切實際的。如果負載電流要求超過35-40安培，通常需要并聯數個轉換器以提供負載。

為了優化輸入和輸出電容器，所有并聯轉換器在相同的時基上運行，并且每個轉換器在從前一個轉換器開始的固定時間或相位之后開始切換。這種類型的轉換器稱為多相同步降壓轉換器。圖2顯示了多相同步降壓轉換器的結構。固定時間或相位由時間段/n或360/n給出，其中“n”是并聯的轉換器的數量。

輸入和輸出電容器的設計基于每個轉換器的開關頻率乘以并聯轉換器的數量。輸出電容看到的紋波電流減少“n”倍。如圖2(E)所示，與圖1(D)所示的單個轉換器相比，多相同步降壓轉換器汲取的輸入電流是連續的，具有更小的紋波電流。因此，在多相同步降壓轉換器的情況下，較小的輸入電容器能滿足設計要求。

圖2：多相同步降壓轉換器結構與工作原理