降壓穩壓器的效率／尺寸權衡

作者：Timothy Hegarty

作為一名應用工程師，我知道降壓穩壓器的實施不可避免地要涉及效率與尺寸的權衡。盡管這一原理適用于眾多開關模式 DC/DC 拓撲，但當應用需要低輸出電壓和高輸出電流（例如 1V 和 30A）時，這一原理就不一定適用了，因為這需要可平衡效率與尺寸的小型電源解決方案。

高效率是重要的性能基準，不僅可減少功率損耗與組件溫度上升，而且還可在給定氣流與環境溫度條件下帶來更多有用功率。從這個觀點來看，低開關頻率非常具有誘惑力，但同時需要大型濾波器組件來滿足輸出紋波與瞬態響應等目標規范的要求，因此成本和尺寸會隨之增加。

專門用于電源管理的 PCB 面積是系統設計人員所面臨的一個巨大制約條件。對于這個問題，我們先來回顧一下高開關頻率的各項優勢。首先，電感和電容需求會隨頻率上升而降低，從而可實現更緊湊的 PCB 布局以及更小的尺寸外形。更低的電感不但可實現更快的大型信號電流變化以及更高的控制環路帶寬，而且還可實現更快的負載瞬態響應。根據經驗，最大環路帶寬是開關頻率的 20%。最后，在較高頻率下在組件選擇方面會出現一些有趣的選項。

例如，我們可以看看這款穩壓器設計，其可通過仔細選擇組件實現最佳的效率／尺寸／成本。

（1） 電感器 — 盡管鐵粉芯電感器或組合鐵芯電感器可在低頻率下提供很好的性能，但更高的鐵芯損耗會否定其頻率超過 500kHz 左右時的價值定位。在這一點上，超低 DCR 鐵氧體磁性材料更容易實現較低的銅損耗和鐵芯損耗。注意，鐵芯損耗相對來說比較容易測量，只需關注轉換器空載輸入電流即可。采用單匝訂書針形繞組的鐵氧體電感器目前提供廣泛的現成選項，而如果只需要一個繞組圈數，就很容易實現低于 1mΩ 的 DCR！

（2） PWM 控制器 — 現在，如果設計特別需要鐵氧體芯電感器的硬飽和特性，那么一定不能超過電感器的飽和電流。這就需要一款可充分利用寄生電路電阻實現精確無損電流傳感的 PWM 控制器（閱讀我之前的博客《在大電流轉換器中實現精確而無損的電流傳感》，了解有關該主題的更多詳情）。其它主要特性包括高效率柵極驅動器、遠程 BJT 溫度傳感以及快速誤差放大器等。

（3） MOSFET — 功率半導體器件是改善效率與尺寸的基礎。以功率塊 NexFET? 系列為例，其被廣為稱道的優勢在于通過垂直疊加的方式創新地將高側及低側 MOSFET 進行聯合封裝。在頻率比例損耗值得關注時，需要低 QG、QRR 與 QOSS 電荷。此外，低 RDS（ON）、大電流銅夾、開爾文柵極連接以及接地選項卡也很重要。

（4） 電容器 — 在較高頻率下，陶瓷電容器要比電解電容器更受青睞。大量輸出能量存儲現已變得非常多余了，因為控制環路會對瞬態需求作出迅速響應。陶瓷產品不僅可提供更低的 ESR，而且還可提供更低的 ESL，可緩解由電感分割效應與低濾波器電感引起的輸出紋波。

還有哪些其它因素會影響穩壓器的效率與尺寸？近期流行的主題包括 GaN MOSFET、電源系統封裝 （PSIP） 以及片上電源系統 （PSOC） 等。請告訴我您的想法？