使用同步降壓 DC/DC 轉換器發揮最大降轉效率的原因及方法

在眾多系統中，都需要將高匯流排電壓調降成較低電壓，以供電給 IC 與其他負載，且此需求日益增加，包括在汽車、工業自動化、電信、運算、白色家電與消費性電子等系統。設計人員面臨的難題在於執行降轉的同時，還要達到最高效率、最小熱負載、低成本，以及盡可能採用最小的方案尺寸。

傳統的非同步降壓轉換器提供潛在的低成本解決方案，但轉換效率也較低，因此不符合許多電子系統的需求。設計人員可改用同步 DC/DC 轉換器與同步 DC/DC 控制器來開發小型解決方案，即可達到高效率。

本文將概述電子系統要達到高效率 DC/DC 轉換時的效能需求，並且查看非同步與同步 DC/DC 轉換器之間的差異。接著會介紹來自 Diodes, Inc.、STMicroelectronics 及 ON Semiconductor 的多款同步 DC/DC 轉換器設計，以及評估板與設計準則，讓您迅速開始開發高效率解決方案。

為何需要同步 DC/DC 轉換器？

各種電子系統對於更高效率的需求逐漸增加，再加上系統複雜度也越來越高，因此電源系統架構及電源轉換拓撲也必須跟上腳步。獨立電壓域的增加可支援更多功能，因此越來越多的電子系統也逐漸採用分散式電源架構 (DPA)。

與其採用多個隔離式電源來驅動不同負載，DPA 使用一個隔離式 AC/DC 電源供應器來產生較高的配電電壓，並使用多個較小型的降壓轉換器將配電電壓降轉到較低的電壓，以符合各個獨立負載的需求 (圖 1)。採用多個降壓轉換器可提供較小尺寸、更高效率與更傑出效能的優勢。

圖 1：分散式電源架構具有一個主要的隔離式 AC/DC 電源供應器 (前端)，以及多個非隔離式 DC/DC 轉換器可供電給低電壓負載。(圖片來源：DigiKey)

要挑選非同步還是同步降壓轉換器，必須在成本及效率之間進行權衡。若追求較低的方案成本，則要接受較低的效率與更高的熱負載，否則就要挑選非同步降壓解決方案。另一方面，若優先考量效率，則偏好較低溫運轉的解決方案，而更高成本的同步降壓轉換器通常會是最理想的選擇。

同步與非同步降壓轉換器的比較

圖 2 顯示典型的非同步降壓轉換器應用。ON Semiconductor 的 LM2595 屬於單晶片積體電路，其中含有主電源開關及控制電路。此產品可進行內部補償，能將外部元件數量降至最低，並簡化電源供應器的設計。可提供 81% 的典型轉換效率，並將 19% 的電力以熱能形式耗散，而同步降壓解決方案則具有約 90% 的典型轉換效率，僅將 10% 的電力耗散成熱能。也就是說，非同步降壓轉換器的熱損耗將近是同步降壓轉換器熱損耗的兩倍之多。因此，採用同步降壓轉換器即可降低發熱量，進而大幅簡化熱管理難題。

圖 2：典型的非同步降壓轉換器應用具有輸出整流器 (D1)、輸出濾波器 (L1 與Cout)，以及回授網路 (Cff、R1 與 R2)。(圖片來源：ON Semiconductor)

在 STMicroelectronics 的 ST1PS01 等同步降壓轉換器中，會使用同步 MOSFET 整流取代輸出整流器 (圖 3)。同步 MOSFET 相較於非同步降壓轉換器，有較低的「導通」電阻，因此可降低損耗並大幅提高轉換效率。同步 MOSFET 內建在 IC 中，因此無需外部整流二極體。

圖 3：同步降壓應用電路無需外部輸出整流二極體，但仍需要輸出濾波與回授元件。(圖片來源：STMicroelectronics)

要提高效率並降低熱負載需有所付出，但利用同步降壓轉換器就可達成。非同步降壓轉換器控制器具有單一電源切換 MOSFET 以及一個整流用的二極體，是更單純的架構 (且更小型)，因為無需處理交越導通或「擊穿」的可能性，而且也不需控制同步 FET。同步降壓拓撲需要更複雜的驅動器與抗交越導通電路來控制兩個開關 (圖 4)。為了確保兩個 MOSFET 不會在同一時間開啟並產生直接短路，因此複雜性會提高，進而讓 IC 體積變大且更昂貴。

圖 4：同步降壓轉換器 IC 方塊圖顯示兩個整合式 MOSFET (在標示為 SW 的引腳旁)，以及附加的驅動器／抗交越導通電路。(圖片來源：STMicroelectronics)

雖然脈寬調變控制型同步降壓轉換器在中負載或滿載情況下更有效率，但非同步降壓轉換器通常可在輕度負載情況下提供更高的轉換效率。然而，隨著最新的同步降壓轉換器實作納入多種操作模式，讓設計人員達到最佳化的低負載效率，上述情況越來越少發生。

用於 5 V 和 12 V 配電的同步降壓

若設計人員要在消費性產品與白色家電中使用 5 V 和 12 V 配電，Diodes, Inc. 提供 AP62600，此 6 A 同步降壓轉換器具有 4.5 至 18 V 的寬廣輸入範圍。此裝置整合 36 mΩ 高側功率 MOSFET 和 14 mΩ 低側功率 MOSFET，可提供高效率的 DC/DC 降壓轉換。

AP62600 具有恆定導通時間 (COT) 控制，因此僅需要最少的外部元件。還提供快速暫態響應、簡易迴路穩定和低輸出電壓漣波。AP62600 的設計經過最佳化，可降低電磁干擾 (EMI)。此裝置具有自行研發的閘極驅動器機制，可在不犧牲 MOSFET 開啟和關閉次數的情況下抵抗開關節點的振鈴，因此能減少 MOSFET 切換引起的高頻輻射 EMI 雜訊。此裝置提供 V-QFN2030-12 (A 型) 封裝。

有一個電源良好指示燈，可提醒使用者可能出現的任何故障情況。具有可編程軟啟動模式，可控制通電時的湧入電流，能讓設計人員在使用多個 AP62600 供電給大型整合式裝置時達到電源定序，例如現場可編程閘極陣列 (FPGA)、特定應用積體電路 (ASIC)、數位訊號處理器 (DSP) 和微處理器單元 (MP)。

AP62600 能讓設計人員在三種工作模式中選擇，以符合個別應用的特定需求 (圖 5)。透過脈衝頻率調變 (FPM) 操作，即可在各種負載下達到高效率。亦有提供其他模式，包括脈寬調變 (PWM)，可達到最佳漣波效能，以及超音波模式 (USM)，可避免在輕度負載時發出噪音。

圖 5：AP62600 能讓設計人員在以下三種操作模式中選擇，以符合個別應用的需求：PFM、USM 與 PWM。(圖片來源： Diodes, Inc.)

為了協助設計人員開始使用 AP62600，Diodes, Inc. 提供 AP62600SJ-EVM 評估板 (圖 6)。AP62600SJ-EVM 採用簡易佈局，並可透過測試點存取正確的訊號。

圖 6：AP62600SJ-EVM 評估板針對 AP62600 提供輕鬆簡便的評估環境。(圖片來源：DigiKey)

24 V 匯流排同步降壓

STMicroelectronics 的 L6983CQTR 具有 3.5 至 38 V 輸入範圍，並提供高達 3 A 的輸出電流。設計人員可在多種應用中使用 L6983，包括 24 V 工業電源系統、24 V 電池供電式設備、分散式智慧節點、感測器，以及全時啟動和低雜訊應用。

L6983 以峰值電流模式架構為基礎，具有內部補償，採用 3 mm x 3mm QFN16 封裝，因此可將設計複雜度與尺寸降至最小。L6983 提供低耗電模式 (LCM) 與低雜訊模式 (LNM) 款式。LCM 可利用受控的輸出電壓漣波，將輕度負載時的效率發揮至最高，因此此裝置非常適合電池供電式應用。LNM 能在輕度負載下讓切換頻率保持恆定，並將輸出電壓漣波降至最低，可符合雜訊敏感應用的規格。L6983 可選擇介於 200 kHz 至 2.3 MHz 的切換頻率，並可選用展頻以提升 EMC。

STMicroelectronics 提供 STEVAL-ISA209V1 評估板，能讓設計人員探索 L6983 單晶片同步降壓穩壓器的能力，並且迅速開始展開設計。

運算與電信設計用的同步降壓控制器

ON Semiconductor 的 NCP1034DR2G 具有高電壓 PWM 控制器，專為高效能同步降壓 DC/DC 應用而設計，具有高達 100 V 的輸入電壓。此裝置的設計可用於嵌入式電信、連網與運算應用的 48 V 非隔離式電源轉換功能。NCP1034 可驅動一對外部 N 通道 MOSFET，如圖 7 所示。

圖 7：NCP1036 同步降壓控制器 IC 的典型應用電路指出高側與低側 MOSFET (分別為 Q1 與 Q2)。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCP1036 具有 25 kHz 至 500 kHz 的可編程切換頻率，並有一個同步引腳，可在外部控制切換頻率。這兩種頻率控制能讓設計人員針對各個特定應用挑選最佳值，並將多個 NCP1034 控制器的操作同步化。此裝置亦含有使用者可編程的欠壓鎖定和打嗝電流限制保護。針對低壓設計，可使用內部微調的 1.25 V 參考電壓以達到更精確的輸出電壓調節。

內含四個欠壓鎖定電路，可保護裝置和系統。其中三個專用於特定功能；其中兩個保護外部高側和低側驅動器，一個保護 IC，以免在 VCC 低於設定臨界值時提前啟動。第四個欠壓鎖定電路則可由設計人員使用外部電阻分頻器進行編程：只要 VCC 低於用戶設定的臨界值，控制器就會保持關閉。

為了協助設計人員開始使用 NCP1034，ON Semiconductor 提供 NCP1034BCK5VGEVB 評估板 (圖 8)。此評估板的設計具有多種選項，可支援多種系統需求。有一個線性穩壓器供電給 IC，設計人員可以挑選適當的電阻，即可使用齊納二極體或高壓電晶體來選擇是否要進行供電。設計人員亦可選擇第二種 (電壓模式) 補償或第三種 (電流模式) 補償，並可選擇用陶瓷或電解輸出電容，也有多種輸入電容值可供選擇。提供兩個排針座：一個可輕鬆連接外部同步脈衝源，即可讓板件直接連接到另一個 NCP1034 展示板；另一個則連接到 SS/SD 引腳，進而連接到接地，即可將控制器關閉。

圖 8：NCP1034BCK5VGEVB 評估板含有多個選項，可協助設計人員迅速展開新設計。(圖片來源：DigiKey)

結論

在眾多系統中，都需要將高匯流排電壓調降成較低電壓，以供電給 IC 與其他負載，且此需求日益越來越需要，包括在汽車、工業自動化、電信、運算、白色家電與消費性電子等系統。

如本文所述，設計人可轉用同步降壓電源轉換器，即可達到降轉，同時兼顧最高效率、最小熱負載、低成本，且盡可能達到最小的方案尺寸。

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