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如何為降壓應(yīng)用選擇合適的Buck轉(zhuǎn)換器和控制器？
時間:2024-05-28
來源: 芯洲科技
一、DCDC降壓穩(wěn)壓器是什么
DC-DC電源中常用的降壓穩(wěn)壓器，依靠兩個功率開關(guān)管來執(zhí)行開關(guān)功能。開關(guān)管在控制器的驅(qū)動作用下，以一定的占空比交替在電感里存儲能量并釋放給負(fù)載。一般從芯片是否集成了開關(guān)管來區(qū)分DCDC降壓穩(wěn)壓器：降壓轉(zhuǎn)換器（集成功率開關(guān)管）和降壓控制器（外置功率開關(guān)管）。
圖1 SCT2A23降壓電路
降壓轉(zhuǎn)換器如圖1由一顆SCT2A23芯片、一個功率電感L1及輸入輸出電容，構(gòu)成了100V輸入轉(zhuǎn)換成12V輸出的降壓電路，功率開關(guān)管集成在了芯片內(nèi)部，如圖2所示HS、LS。
圖2 SCT2A23 芯片內(nèi)部框圖
降壓控制器如圖3所示，芯片內(nèi)部無功率開關(guān)管。
如圖4所示，降壓控制器內(nèi)部只有控制電路，故而叫控制器。需外加功率開關(guān)管才能構(gòu)成一個完整的降壓電路：由SCT82A30、兩個功率開關(guān)管Q1和Q2、功率電感L1及輸入輸出電容，構(gòu)成了100V輸入轉(zhuǎn)換成5V輸出的降壓電路。
圖4 SCT82A30降壓電路
二、轉(zhuǎn)換器與控制器的應(yīng)用特點(diǎn)
同步Buck轉(zhuǎn)換器與控制器到底孰優(yōu)孰劣涉及諸多考量，如功率需求、空間約束、成本控制等。
實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器主要用于較高電壓轉(zhuǎn)換至較低壓的輸出，比如12/24/48V轉(zhuǎn)5V,5V轉(zhuǎn)1.2V/1.8V等。這類應(yīng)用下，下管會有更長的導(dǎo)通時間，因此下管比上管更低的Rdson設(shè)計，有利于均衡上下管所產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗和覆蓋大部分應(yīng)用需求。如圖5 SCT2A23，上管Rdson是530mΩ，下管Rdson是220mΩ。
圖5 SCT2A23部分參數(shù)
因此對于某些大占空比輸出特殊應(yīng)用場合時，由于內(nèi)部MOS固定，轉(zhuǎn)換器可能不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱的最大電流能力輸出?？刂破鲃t可根據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇不同的外置MOSFET，調(diào)整上下管的功率損耗分配。
三、如何正確選擇Buck控制器的功率MOS
功率MOS作為Buck系統(tǒng)功率路徑的閥門與功率損耗的承載者，選好功率開關(guān)管對電源系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)作十分重要。這需要系統(tǒng)效率/溫升情況/空間尺寸/成本等多維度綜合考慮。
1 功率MOS的耐壓
MOS管的漏源耐壓需要大于開關(guān)節(jié)點(diǎn)的最大關(guān)斷震蕩尖峰電壓，這需要考慮最大輸入DC電壓下的SW節(jié)點(diǎn)尖峰電壓VSW_PEAK=VIN_MAX+VNOISE 如圖6仿真值
在初步選項(xiàng)時，通常耐壓可以先以VDS>120%×VIN_MAX的安全裕量進(jìn)行考慮。噪聲電壓VNOISE是由功率環(huán)路寄生雜感在快速的di/dt開關(guān)變化下產(chǎn)生，調(diào)試時可以通過減緩開通關(guān)斷速率或增加RC吸收的方式降低，確保VSW_PEAK在MOSFET安全耐壓內(nèi)。
圖6 開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰
2 控制器驅(qū)動MOS的損耗分析
為確定MOSFET是否適合某一應(yīng)用，需要先計算其功率損耗和溫升情況，再去考慮哪些關(guān)聯(lián)參數(shù)可以優(yōu)化。首先，MOSFET上產(chǎn)生的總損耗PTotal=導(dǎo)通PCON+開關(guān)損耗PSW 如圖7兩部分能量損耗：
圖7 MOSFET功率損耗構(gòu)成
導(dǎo)通損耗PCON通過歐姆定律即可得出，D為導(dǎo)通占空比：（1）
上管開關(guān)損耗依據(jù)如下公式，開通與關(guān)斷分別是在電感電流的谷值和峰值進(jìn)行動作（2）
開關(guān)MOS管的開啟關(guān)斷過程如下圖8所示，開關(guān)過程的損耗發(fā)生在電流電壓的極速變化區(qū)間，從柵極電壓升至VGS_th閾值電壓到米勒平臺結(jié)束的時間，記作tf，從米勒平臺開始到柵極降至VGS_th閾值電壓的時間，記作tr。
圖8 MOSFET開通關(guān)斷過程
tr和tf是與控制器的內(nèi)部驅(qū)動參數(shù)和外置MOS的特性參數(shù)相關(guān)，如圖9所示的驅(qū)動環(huán)路，其計算可根據(jù)電荷量公式Q=I×t 近似得出（3）
圖9 控制器驅(qū)動MOSFET的驅(qū)動環(huán)路
式中RG為控制器驅(qū)動端外部串聯(lián)到MOSFET柵極的驅(qū)動電阻。RON_H和RON_L分別是控制器驅(qū)動端內(nèi)部的導(dǎo)通漏源阻抗，如下圖截取控制器SCT82A30電氣性能表格中列出的Gate Driver值。
因此，MOS管的總柵極電荷量Qg、開通閾值電壓VGS_th、驅(qū)動器內(nèi)部的漏源阻抗RON以及驅(qū)動電壓VDD，對MOS管在高速開關(guān)過程中的開關(guān)損耗有較大的影響。
下管的開關(guān)瞬態(tài)過程損耗，主要是死區(qū)時間內(nèi)體二極管的續(xù)流損耗，損耗值
PSW_L可由（4）
其中tLGD_DT和tHGD_DT分別是上管導(dǎo)通時的死區(qū)時間和下管導(dǎo)通時的死區(qū)時間。在規(guī)格書中分別是25ns和22ns。
3 確認(rèn)極限應(yīng)用時的內(nèi)部結(jié)溫（熱阻）
除了損耗，需要對器件進(jìn)行熱評估，初步判斷所選MOS管的結(jié)溫情況能否滿足所需，確保結(jié)溫限制在一定安全裕量。不同的熱特性參數(shù)（熱阻）描述的是因損耗產(chǎn)生的熱在不同傳播路徑的阻抗(如圖10)。
圖10 封裝器件熱傳遞路徑
兩節(jié)點(diǎn)之間的溫度差（ΔT）=兩點(diǎn)之間的熱阻值Rθ×在器件上的總損耗PTotal；
初步評估通常使用熱阻值RθJA（結(jié)溫到環(huán)境溫度的熱傳遞路徑）和RθJC（結(jié)溫到器件殼表面中心熱傳遞路）（5）
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SCT82A30是一顆5.5V-100V輸入的同步降壓控制器，可以提供驅(qū)動端2.3A和3.5A柵極拉罐電流能力，有效降低對外置MOSFET結(jié)電容等參數(shù)的要求，實(shí)現(xiàn)大功率大電流場景應(yīng)用。內(nèi)部提供7.5V穩(wěn)壓源，用于驅(qū)動外部MOSFET開通于合理的線性區(qū)；
圖11 外部供電VCC圖示
芯片可選兩種外部電源供電為VCC供電，降低了芯片在高輸入電壓時內(nèi)部LDO耗散的功率, 降低發(fā)熱，提高系統(tǒng)整體效率。當(dāng)EXTVCC超過4.7V時關(guān)閉內(nèi)部LDO、接通到VCC。如圖12在48V/72V應(yīng)用時，使用外部EXTVCC帶來13%效率提升。
圖12 SCT82A30外部供電效率差異
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