高频降压变化器的局限

大家好！我是德州仪器的系统应用工程师欧益亚 今天很高兴有机会在这里和大家分享一下 TI推出的一个高频的串联电容 buck电路 今天要介绍的内容 包括四点 第一个是介绍一下 我们传统的buck电路 如果是采用高频化 它会有哪些局限性 第二个是介绍一下 高频串联电路 buck电路的 一些主要的工作特点 第三会给出一些串联电路 buck电路的 工作的实验波形 第四呢 会给出一个 我们设计一个高频串联电路 buck电路一些设计的主要原则 现在 大家对这张图可能都比较熟悉了 这是一个电源系统功率传递的简图 我们通常是从一个交流电取电 然后把它转成400伏的一个高压 然后再通过一个高压的降压 DC/DC 转化为12v中间的直流母线 那么 最终我们的终端负载 可能是一个FPJ 也可能是CPU 也可能是一个Flash 它们所需要的供电电频 可能都不尽一样 这个时候 就会在中间母线12伏 跟我们终端的最终的一个负载之间 会加一个降压的变换器 来实现把12伏中间母线转化为 我们所需要的一个负载电压 我们经常所采用的拓扑 就是buck的一个拓扑 我们也通常称这个模块 是一个PRL的电压调整器 我们在开关电源里面经常会提到 需要把开关电源的开关频率提高 提高整个开关电源系统的开关频率有什么好处呢？ 第一个最直观的好处就是说 它能够有效地降低整个电源系统的体积 左边是一个例子 就是说 500K的一个buck电路 它所需要的一个整体的尺寸 那么 这里 它采用的一个电感 它是232立方毫米的尺寸 右边是2兆赫兹的一个降压电路 那么 它整个拓扑的尺寸呢 都只有157个立方毫米 所以说 它这个尺寸 就会有一个比较大的明显的改善 第二个呢 如果采用高频化 会有一个另外的好处 就是说 它能够使我们系统有一个更快的响应速度 第三个 因为高频化之后 它能够使我们输入的电容 输出的电容 输出的电感都能够 非常 有一个明显的体积的减小 那么 就同样的 这也就意味着 我们所需要的整个buck的成本 也有一个很明显的改善 那么 这里是给出了一个 电感尺寸 做比较 我们常用的 比如说是 一个500k的buck电路里面 经常会用到一个7x7x4的一个电感 或者是一个8.5x8.5x2.5的一个电感 这种是实际应用里面 那么 如果我们能把开关级别提升 到2兆 那么 我们可能这个时候所需要的电感 可能就只需要一个 2.5x2.0x1.2的这个电感 那么从电感的尺寸上来做比较的话 它可以使我们的电感尺寸 减小15倍 当然 我们前面只提到 提高开关频率 对我们整个电系统所带来的好处 实际上呢 提高开关频率 对我们电源系统也是有坏处的 那么 第一个我们需要考虑的就是说 一个更高的开关损耗 因为我们整个电源开关系统里面 它管子的开关损耗 实际上是跟开关周期是成正比的 那么 更高的开关频率 就意味着一个更高的开关损耗 那么 第二个缺点就是说 我们需要考虑到 如果说我们把一个电源系统 它的开关频率提得很高 比如说 提高到5兆 那么 就意味着我们整个的开关周期 就变得很小 比如说 如果是5兆的话 就是200ns的一个周期 那么 如果是像前面的这种应用 是一个12伏输入 1.2伏输出的一个应用场合 10:1的电压转换比 就意味着只有一个20ns的导通时间 对于我们buck上管 这个 相对来说 20ns的导通时间 这个对现有的技术来说 基本上是不可能实现的 所以说 我们市面上看到的 号称能够支持 高频的一个应用 一般都是会限定 它的一个应用的场合 比如 会把输入输出的电压转换比 会小于 5:1 以及它的负载电流不能太大 可能会小于 1安 那么 就能够限制它的一个 把整个系统因为高频化所带来的一个 开关损耗 在一个 我们可以忍受的范围之内