1  引言

　　設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器并不是件輕松的工作。許多使用者都希望轉(zhuǎn)換器是一個(gè)盒子，一端輸入一個(gè)直流電壓，另一端輸出另一個(gè)直流電壓。這個(gè)盒子可以有很多形式，可以是降階來(lái)產(chǎn)生一個(gè)更低的電壓，或是升壓來(lái)產(chǎn)生一個(gè)更高的電壓。還有很多特殊的選項(xiàng)，如升降壓、反激和單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），這是一種能讓輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。如果一個(gè)系統(tǒng)采用交流電工作，個(gè)AC-DC模塊應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的的直流電壓。因此，使用廣的器件是降壓轉(zhuǎn)換器。

　　DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器已在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中常用到的拓?fù)浔闶墙祲恨D(zhuǎn)換器。汽車(chē)應(yīng)用中要求的輸入電壓范圍比較大，而汽車(chē)電池的電壓一般為 12V或24V，在尖峰情況下可能會(huì)達(dá)到40V。由于輸入電壓很高而輸出電壓很低（或者是輸出電流很高），因此需要使用大降壓比的轉(zhuǎn)換器。

　　具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉(zhuǎn)換器一般采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換。級(jí)轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級(jí)轉(zhuǎn)換則將中間電壓轉(zhuǎn)換為需要的低輸出電壓。采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換的原因很多。首先，大降壓比則意味著需要低占空比。根據(jù)之前所述，在汽車(chē)等一些設(shè)備中，甚至?xí)霈F(xiàn)高達(dá)40V的高輸入電壓?？墒?，對(duì)于能接受20V以上輸入電壓的設(shè)備，其輸出電壓往往都高于1.2V。因此，對(duì)于高輸入低輸出的電壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)，采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換是非常合理。

2  兩級(jí)轉(zhuǎn)換的不良效率

　　效率是兩級(jí)轉(zhuǎn)換器所需要關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。盡管對(duì)個(gè)別級(jí)的轉(zhuǎn)換而言，均可以達(dá)到較高的效率，但是整體效率卻可能很低。因?yàn)檎w效率是各轉(zhuǎn)換級(jí)效率之乘積。圖中同樣給出了一個(gè)將5V 輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V輸出電壓的轉(zhuǎn)換器效率。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器同樣在550kHz的頻率下運(yùn)作，并在半負(fù)荷下得出約80%的效率?？墒?，使用在兩級(jí)轉(zhuǎn)換中的這兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的整體效率僅在60%~70%左右，如圖2所示。

圖1 單級(jí)的效率曲線

圖2 兩級(jí)轉(zhuǎn)換的整體效率

　　除了效率之外，與單級(jí)轉(zhuǎn)換相比(稍后會(huì)作介紹)，兩級(jí)轉(zhuǎn)換要求使用更多的元件并占用更多的板面積。所需的集成電路、電感器和降壓電容器數(shù)量約為單級(jí)轉(zhuǎn)換的兩倍。兩級(jí)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，而且包括板尺寸、元件成本、生產(chǎn)時(shí)間和調(diào)試等在內(nèi)的整體成本也較高。

圖3 LM3103的效率曲線

3  同步穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

　　與兩級(jí)轉(zhuǎn)換相比，寬輸入范圍和低反饋電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器具有更高的效率、更小的尺寸和更經(jīng)濟(jì)的成本。例如LM3103，它是 LM310x系列產(chǎn)品中的一款，屬于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的PowerWise產(chǎn)品系列。LM3103的輸入電壓可高達(dá)42V，輸出電壓可低至0.6V。因此，轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)化為對(duì)一些元件進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)。下文將詳述如何對(duì)元件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　圖4所示為一個(gè)1.2V輸出電壓的LM3103原理圖。圖中的電容 CIN 和 COUT 為降壓電容器， CIN3、COUT3則分別用來(lái)過(guò)濾高頻噪聲。至于CSS 和CBST 則用于軟啟動(dòng)和自舉功能， CVCC 和CFB則分別用作內(nèi)部調(diào)節(jié)器和幫助反饋輸出紋波。設(shè)計(jì)所需的其他元件如下：

　　●用于輸出電壓的RFB1 和RFB2;

　　●用于工作頻率的RON;

　　●與電感器電流紋波相關(guān)的L。

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圖4 1.2V輸出的LM3103原理圖

4  輸出電壓

　　由于LM3103的內(nèi)部參考電壓等于0.6V，輸出電壓VOUT和由RFB1 和 RFB2組成的分阻器之關(guān)系如下：

　　因?yàn)閂OUT = 1.2V，我們可選擇RFB2 = 10kΩ，那么RFB1可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

5  工作頻率

　　電阻器RON 用于決定轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通時(shí)間，而該導(dǎo)通時(shí)間是與工作頻率fSW成直接關(guān)系，并在LM3103中被編程成高至1MHz 。一旦fSW被確定，那RON便可通過(guò)下列算式計(jì)算出來(lái)：

　　在圖4中， fSW 設(shè)定為550kHz，因此計(jì)算出的RON等于26.3kΩ。

6  電感器電流紋波

　　LM3103需要約0.3A的電感器電流紋波。電感器的電流紋波與輸入電壓、輸出電壓以及工作頻率有密切的關(guān)系。L的計(jì)算公式如下：

　　在設(shè)計(jì)中把VIN定為 12V，則計(jì)算出來(lái)的L便等于6.55μH。

　　元件的選擇應(yīng)基于以上計(jì)算和圖4中所示的實(shí)際數(shù)值。LM3103應(yīng)用電路的效率曲線已在圖3中展示出來(lái)。對(duì)比圖2與圖3，便會(huì)發(fā)現(xiàn) LM3103的單級(jí)轉(zhuǎn)換效率比起兩級(jí)轉(zhuǎn)換的整體效率高出了5到10%。表1對(duì)LM3103和兩級(jí)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了比較。從表中可以看出，在效率、元件數(shù)量和方案尺寸方面，LM3103都比兩級(jí)轉(zhuǎn)換有優(yōu)勢(shì)。

表1 LM3103與兩級(jí)轉(zhuǎn)換的對(duì)比