Power-1---同步降壓控制器

引言：前面DC-DC系列以基礎為主，且主要針對集成式DC-DC，本節開啟電源的第二個系列，即Power系列，以分立式電源器件為主干內容，本節主要講解外部電源開關同步降壓控制器（Synchronous Step-Down Controller），即將一個標準集成DC-DC器件里面的開關MOS和同步MOS獨立分拆出來，置于器件外部，結構層級分為兩部分：同步降壓控制器+外部開關。

1.拓撲結構

如圖1-1所示，外部電源開關同步降壓控制器即指第5部分，為1和2的合并體，3和4部分外置。

圖1-1：外部電源開關同步降壓控制器結構

如圖1-2所示是一個單相（單輸出）的外部電源開關同步降壓器的結構圖，頂部柵極驅動器和底部柵極驅動器分別驅動開關MOS和同步MOS。這樣的結構帶來的好處就是輸出電流可以做到很大，外置MOS使得散熱非常好，控制器基本不發熱，當選用MOS的RDS越小，整個電源效率越高，熱耗越小，散熱也只需要對MOS進行處理，缺點就是整個供電模塊體積會變大，Layout要求也比較高。

圖1-2：單相單輸出

TG：Top Gate Driver Output，頂部柵極驅動器輸出。這是浮動驅動器的輸出，其電壓擺動等于INTVCC疊加在開關節點電壓上。

BG：Bottom Gate Driver Output，該引腳驅動GND和INTVCC之間的底部N溝道MOSFET的柵極。

SW：電感器的開關節點連接，該引腳的電壓擺動是從低于接地的肖特基二極管（外部）電壓降到VIN。

INTVCC：內部調節器輸出，作為上管VGS的增量電壓，需要使用較大容值（最低2.2uF）的低ESR鉭或陶瓷電容器將此引腳與GND解耦，且注意Boot電容的值。（傳送門：DC-DC-19：如何設計Buck變換中的自舉電路）

圖1-3：同步降壓控制器結構圖

2.關鍵參數

1：Vin、Vout

2：最大開關頻率f

3：最大輸出電流Iout

4：HG（TG）和LG（BG）上升時間、下降時間

5：HG（TG）和LG（BG）的啟動電平和驅動電流

6：最短開啟時間

3.設計考慮項

電流檢測/監控

控制器的電流監控，可以使用DCR（電感電阻）檢測或高精度Rsense檢流電阻，目前兩種方案的選擇在很大程度上是在成本、功耗和精度之間的設計權衡。DCR方案比較受歡迎是因為它節省了昂貴的檢流電阻，且避免了額外的功率損耗，特別是在大電流應用中，但是檢流電阻為控制器提供了最精確的電流檢測。其他外部組件的選擇由負載特性來決定，并從選擇Rsense（如果使用Rsense）和電感器值開始，接下來選擇功率MOSFET和肖特基二極管，最后選擇輸入和輸出電容器。

功率MOSFET和肖特基二極管（可選）的選擇

控制器必須選擇兩個外部電源MOSFET：一個N通道MOSFET用于頂部（主）開關，一個N通道MOSFET用于底部（同步）開關。

峰值到峰值的驅動電平由INTVCC電壓設置，在啟動時此電壓通常為5V，因此在大多數應用程序中必須使用邏輯級閾值MOSFET。唯一的例外是，如果預期輸入電壓較低（VIN < 5V），則應使用子邏輯電平閾值MOSFET（VGSth<3V），同時也要注意MOSFET的BVDSS規格，大多數邏輯級的MOSFET被限制在30V或更小。

功率MOSFET的選擇標準包括Rdson、米勒電容、輸入電壓和最大輸出電流，米勒電容可以從MOSFET制造商的數據表上通常提供的柵極電荷曲線近似。當控制器在連續模式下運行時，頂部和底部MOSFET的占空比為：

主開關占空比Dm=Vout/Vin，同步開關占空比Ds=(Vin-Vout)/Vin，最大輸出電流下的功率損失：

其中δ為Rdson的溫度依賴性，Rdr（約2Ω）是MOSFET的Miller閾值電壓下的有效驅動電阻，Vthmin是典型的MOSFET最小閾值電壓，f是工作頻率，Im是持續輸出電流。

兩個MOSFET都有I2R損失，而頂部的NMOS的Pm包含了一個額外的過渡損失項，這在高輸入電壓下是最高的。對于VIN<20V，高電流效率通常隨著更大的MOSFETS而提高，而對于VIN>20V，過渡損耗迅速增加，使用更低的Rdson實際上提供了更高的效率。當頂部開關負載比低時，或當同步開關接通時間接近100%時，同步MOSFET損失最大。（1+δ）通常以歸一化Rdson與溫度曲線的形式給出，但δ=0.005/°C可以作為低壓MOSFET的近似。

可選的肖特基二極管在兩個功率MOS傳導之間的死時間內導電，這可以防止底部MOSFET的體二極管打開，在死時間存儲電荷，但需要一個反向恢復期，在高VIN下可能耗掉高達3%的效率。由于相對較小的平均電流，1A到3A肖特基一般較小比較合適，較大的二極管由于其較大的結電容而導致額外的躍遷過渡損耗。

最短開啟時間

最小導通時間Tonmin是控制器能夠打開頂部MOSFET的最小時間持續時間，它由內部定時延遲和打開頂部MOSFET所需的門充電決定。低占空比使用時可能接近這個最低準時時間限制，應注意確保：

如果占空比低于最小時間的范圍，控制器將開始跳過周期，輸出電壓將會繼續被調節，但紋波電壓和電流將會增加。

4.開關MOS和同步MOS選型

原則上開關MOS和同步MOS選擇同一型號，當然根據實際情況不一致滿足性能要求也不會有什么問題，這里選兩種MOS的考量點放在一起如下：

1：ID≥負載峰值電流Ipeak

2：VGSTHmax＜VGate

3：VDSS＞Vin

4：Min on和Min off＜計算值

5：溫升，Rdson

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圖1-4：NMOS-1特性

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圖1-5：NMOS-2特性