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2016.05.27 DC/DC

開關穩壓器的基礎

DC/DC轉換器的非絕緣型降壓開關穩壓器有前項所説明的非同步整流(二極體)式和同步整流式。非同步整流式是較早被使用的方式,就開關穩壓器而言電路簡單但效率卻超過80%左右。之後,筆記型PC等電池驅動且需要較大功率的應用開始要求更高效率,於是可獲得高效率的同步整流式開關穩壓器用IC被陸續開發,控制或電路極為複雜的同步整流式變得容易設計,逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。

圖39和40為二種方式的電路概要和工作。

圖39


圖39_2
圖39

圖40


圖40_2
圖40

圖41

圖41

如圖所示,差別點在於非同步整流式於下側開關使用二極體,而同步整流式則與S1同様為電晶體。非同步整流式藉由上側電晶體的ON/OFF使電流流向或不流向二極體,如前項所説。同步整流式雖然基本工作相同,但是下側開關的ON/OFF亦由控制電路進行。若兩方同時為ON,則電流將從VIN直接流向GND,故兩方必須製造OFF時間、所謂dead time的靜止時機等進行複雜的控制。不過,同步整流式之所以效率比非同步式佳,是因為下側開關使用電晶體(尤其是MOSFET),大幅改善在二極體所發生之損失,而且還可在最佳時機進行操作。

有關各方式之損失和效率,再稍微説明一下。任何電路皆通過開關流動電流,故會因開關而有損失,以致影響效率。二極體之損失於順方向電壓VF、電晶體時將變成飽和電壓或ON電阻。二極體之VF藉由電流増加,即使是低VF之蕭特基二極體,1A時之VF亦將為0.3~0.5V左右。相對的,例如Nch-MOSFET之ON電阻極低至50mΩ左右,若計算下降電壓的話,可知1A將為50mV,遠低於二極體之VF

圖42

圖42

尤其類似從12V降壓至1.5V等高降壓時,下側開關之ON時間會變長,佔周期的近90%。非同步整流式中,由於下側開關為二極體,故約90%期間會伴隨VF分損失之工作,即1.5V之輸出會伴隨0.5V多之損失,對效率的影響極大(參照圖41)。

另一個大差別在於輕負載時會有工作。圖42橘色和緣色之箭頭表示輕負載時非同ㄏ步整流式(橘)和同步整流式(綠)之電感電流。電感電流如圖所示,藉由開關變成三角波。當負載電流變得非常少時,電感電流會下降至零交越(zero-crossing)級。在此狀態下,非同步式為二極體只能朝一方向流動電流,因此沒有如橘色波形般進入負領域之波形電流,電流波形呈具有零期間之間斷狀態,此稱為不連續模式。另一方面,同步式由於電晶體,故可逆流,使負領域電流持續,此工作稱為連續模式。

若為不連續模式,則開關電壓將發生振鈴(ringing),高調波雜訊將被釋出。同步式藉由維持連續的電感電流而使穩定的工作繼續。但,逆電流由於須從輸出電容供給,故效率稍低。

整體而言須檢討電路之複雜性、成本、效率、振鈴導致之高調波雜訊後進行權衡,判斷哪一方式最適當後再選擇。

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