您是否知道，環境溫度每升高 10°C，每個組件的使用壽命就會縮短 50%？1電源的掉線或差異會導致過早故障，甚至導致系統中的部件完全油炸？事實上，大多數人都同意，功率密集型應用需要，實際上必須有持久和高效的電源。但是什么拓撲？同步還是異步？讓我們看一下每種拓撲的權衡。

為您的設計提供動力的選項

每個硬件系統都需要一個電源，電源的電壓電平通常高于應用規定的電壓電平。假設您有一個 9V 電源輸入，需要將其降至 5V 才能運行系統。您有一些選擇：

具有一些基本調節的簡單分壓器，例如齊納二極管。齊納及其限流電阻將 9V 電壓降至 5V，而 4V 電壓降至齊納二極管的限流電阻兩端。這個動作會產生熱量并浪費能量。

一個 5V 線性穩壓器 （LDO）。同樣，你輸入 9V 并輸出 5V;LDO 兩端的電壓降為 4V。如果電路消耗1A電流，則LDO消耗4W功率。你也可以說4W浪費的功率被傾倒為熱量。

直流-直流轉換器。這里，開關穩壓器基本上對輸出電感和電容進行脈寬調制（即使用脈寬調制，PWM）。當輸出電壓達到5V時，PWM占空比降至幾乎為零。開關穩壓器消耗的電流非常小，因此功耗很小。這絕對是最有效的設計選擇。

DC-DC 轉換器的輸入電壓可以是任何值，標準為 6V、9V、12V、24V、48V。電力變壓器將 120VAC 降壓至標準電壓水平，然后整流、濾波和調節至直流電壓，用于商業或工業用途。例如，電話系統建立在48V上，該值由電池備份系統的電壓確定。如果交流電源出現故障，備用電池系統將無縫啟動。便攜式設備是另一回事。這些設備通常由已經是直流電的電池供電，但需要對其進行調節。由于電池電壓會在一段時間內下降，因此您需要提高其輸出電壓并保持調節。因此，如果您的系統以3.3V運行，即使電池電壓下降，您也需要將其保持在3.3V。

在設計電源時，您可以選擇“看似”的低成本解決方案，例如上面提到的簡單分壓器或齊納電路。請注意，我們說“看起來是”低成本，因為這僅從物料清單的角度得出。這些方法具有功率損耗的隱性和附加成本，這會導致高散熱并縮短系統中電氣元件的使用壽命。同時，LDO具有非常低的噪聲輸出，但其缺點包括高功耗、大壓差和電池壽命縮短。

如今，設計人員轉向 DC-DC 轉換器來實現效率、熱量、精度、瞬態響應和成本的最佳輸出。直截了當，是的。但是，實現最佳 DC-DC 電源系統設計的道路可能就像在沒有地圖的情況下導航雷區一樣復雜。轉換器的工作溫度限制了其最大輸出功率，并且隨著工業設備外形尺寸的縮小，工作溫度也在上升。此外，大多數設備通常很少或沒有強制冷卻/氣流。那么，您最好的 DC-DC 設計選項是什么？

DC-DC 設計選項：同步或異步拓撲

它們之間需要權衡取舍。異步拓撲是一種較舊的設計，以外部肖特基二極管兩端的功率損耗表示。這種功率損耗等同于效率下降。這里推薦使用同步拓撲，因為它提供高效率，并通過集成高效的MOSFET適合更緊湊的外形尺寸。這種根本差異如圖1所示，該圖<>比較了異步轉換器和集成度更高的同步解決方案之間的結構差異。

圖1.異步 DC-DC 轉換器拓撲（左）使用外部肖特基二極管來調節電壓。同步拓撲（右）集成了一個MOSFET來取代肖特基二極管。

考慮一下電源效率。近年來，模擬 IC 供應商推出了同步 DC-DC 轉換器，以提高使用其外部肖特基二極管的異步設計損耗的功率效率。現在，同步轉換器集成了一個低側功率MOSFET，以取代外部高損耗肖特基二極管。低側MOSFET的功耗影響R上而二極管V兩端的正向壓降D確定肖特基二極管的功率損耗。如果兩種設計的電流水平保持不變，則通常MOSFET兩端的壓降低于二極管兩端的壓降，從而降低MOSFET的功耗。

在異步解決方案中，二極管兩端的功耗為：

PD = VD × IOUT × (1 – VOUT/VIN)

在同步解決方案中，MOSFET 兩端的功耗為：

PFET = RON × I2OUT × (1 – VOUT/VIN)

然而，有意見認為，異步降壓轉換器在較輕的負載和高占空比下提供更高的效率，2而且似乎沒有一個轉換器可以在輕負載到重負載下提供最佳效率。電力系統設計人員是否再次陷入眾所周知的“兩難之角”？

要回答這個問題，請考慮異步轉換器在輕負載下實現高效率性能的主要動力。在異步轉換器中，電感電流僅沿一個方向流動，永不變為負;在同步轉換器中，電流雙向流動，這是一個缺點。

圖2.同步轉換器與非同步轉換器中的電流。

為了克服同步轉換器中的這種雙向電流，引入了不同的工作模式，為輕負載工作創建“偽異步”模式。現代 DC-DC 轉換器支持三種模式（圖 3）：

PWM @ CCM：連續導通模式下的脈寬調制。在這里，轉換器作為恒定頻率工作;我L被允許去負數。此模式允許轉換器快速響應任何負載變化，甚至低至零負載，并且仍然將輸出電壓紋波降至最低。盡管如此，PWM @CCM模式在輕負載時效率較低。

PWM @ DCM：不連續導通模式下的脈寬調制。這種方法還具有恒定頻率的特點，但通過防止 IL從負數。它類似于在輕負載時禁用負電感電流的異步解決方案。

休眠模式的 PFM：休眠模式下的脈沖頻率調制。這種方法通過防止L從變為負值并關閉兩個FET，到輕負載時的跳脈沖。在跳過期間，轉換器進入休眠狀態，關閉未使用的內部電路以節省靜態電流。該模式可實現最佳效率，提供最高的輕負載效率，并且僅犧牲略高的輸出電壓紋波。

圖3.Maxim Integrated的喜馬拉雅DC-DC降壓轉換器中的多模操作。

當負載電流為中等到滿負載時，所有模式的工作方式相同。當負載電流降低到電感電流紋波值的一半以下時，就會出現差異。

您的系統是否預計大部分時間處于待機狀態（即低負載運行），并且延長電池壽命是否至關重要？然后選擇PFM模式，因為它提供最高的輕負載效率。但是，PFM模式有一個警告：檢查以確保較高的輸出紋波和較慢的瞬態響應不會在待機期間對系統性能產生不利影響。

輕負載瞬態性能在您的應用中是否至關重要？那么PWM @ CCM是您的最佳選擇，因為它提供了最佳的瞬態響應，甚至低至零負載。

PWM @ DCM 模式在其他兩種模式之間提供了合理的權衡。

結語

技術在前進。通過用集成的高效MOSFET取代外部肖特基二極管以及多模操作，當今的同步解決方案可在最緊湊的設計中提供卓越的效率。現在是時候采用新的同步建模技術來提高下一個設計的電源性能了。它更簡單，更酷，更好。

審核編輯：郭婷