根據(jù)系統(tǒng)要求，電源設(shè)計(jì)人員必須在尺寸，效率，成本，溫度，精度和瞬態(tài)響應(yīng)方面做出許多權(quán)衡，然后才能選擇合適的降壓或降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。最近，滿足能源之星規(guī)范或其他綠色模式標(biāo)準(zhǔn)的需求使能效在降壓轉(zhuǎn)換器中越來越受歡迎。因此，出于效率，密度和低成本的原因，同步降壓轉(zhuǎn)換器被廣泛部署。但同步降壓轉(zhuǎn)換器在所有條件下都是最節(jié)能的選擇嗎？答案是不。在更高的占空比和更輕的負(fù)載條件下，非同步降壓轉(zhuǎn)換器可以以低成本提供更高的轉(zhuǎn)換效率。因此，對于輕負(fù)載性能超過其他標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，非同步降壓轉(zhuǎn)換器可能是比同步DC/DC解決方案更好的選擇。

為了更好地理解使用非同步降壓電路的優(yōu)缺點(diǎn)，首先要了解同步和非同步拓?fù)涞亩x以及它們之間的關(guān)鍵差異，這一點(diǎn)很重要。在回顧了這些差異之后，本文研究了輕載時非同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率性能，并將其與同類降壓轉(zhuǎn)換器在類似負(fù)載條件下的效率性能進(jìn)行了比較。該比較使用德州儀器（TI）的同步轉(zhuǎn)換器TPS54325和非同步轉(zhuǎn)換器TPS54331完成。

非同步和同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳統(tǒng)上，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器使用整流二極管來獲得直流輸出電壓1，如圖1所示。被稱為非同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流二極管D1的正向壓降對于轉(zhuǎn)換器的總傳導(dǎo)損耗，它是正向壓降和正向傳導(dǎo)電流的乘積。特別是對于低壓，高電流轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，該整流器傳導(dǎo)功率損耗變得占總轉(zhuǎn)換器損耗的更大百分比，從而降低降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

圖1：非同步降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用整流二極管D1來獲得直流輸出電壓。在低電壓和高輸出電流下，二極管的導(dǎo)通損耗占總轉(zhuǎn)換器損耗的百分比更大。

通過用作為同步整流器（SR）的MOSFET Q2替換整流二極管D1，可以降低等效的正向壓降，并降低相應(yīng)的傳導(dǎo)損耗1（圖2）。這是因?yàn)镾R MOSFET的低導(dǎo)通電阻特性降低了歐姆損耗。但是，在較高電流下，MOSFET導(dǎo)通電阻的下降可能超過二極管的下降。然而，這種限制通常通過并聯(lián)兩個或更多個SR MOSFET來解決。在電流要求非常高（》 32 A）的應(yīng)用中，并聯(lián)兩個SR MOSFET可以進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻和相應(yīng)的損耗。這種并聯(lián)對于非同步拓?fù)涞恼鞫O管是不實(shí)用的。

圖2：在同步整流中，同步整流器（SR）MOSFET Q2取代整流二極管以降低傳導(dǎo)損耗。

關(guān)鍵差異為了展示非同步降壓轉(zhuǎn)換器在特定應(yīng)用中的優(yōu)勢，例如輕負(fù)載條件，德州儀器產(chǎn)品營銷經(jīng)理Rich Nowakowski和系統(tǒng)工程師Ning Tang將兩種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞男市阅苓M(jìn)行了比較在通常在消費(fèi)者設(shè)備中發(fā)現(xiàn)的典型負(fù)載點(diǎn)（POL）應(yīng)用中。結(jié)果顯示在他們的文章“同步與非同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率”中。如上所述，為此比較選擇的部件是同步降壓轉(zhuǎn)換器TPS54325和非同步版本TPS54331。同步TPS54325提供集成的高端MOSFET Q1，導(dǎo)通電阻為120mΩ，低端SR功率MOSFET Q2片上，導(dǎo)通電阻為70mΩ，非同步版本TPS54331僅配備高端MOSFET Q1集成在片上，典型導(dǎo)通電阻為80mΩ。在這種情況下，二極管D1位于該轉(zhuǎn)換器芯片外部，如圖3所示。為此比較選擇的輸入電壓軌為12 VDC，輸出電壓低于3 A時輸出電壓為1至3.3 VDC。

《 p》

圖3：非同步降壓轉(zhuǎn)換器TPS54331僅帶有集成在片內(nèi)的高端MOSFET Q1，典型導(dǎo)通電阻為80mΩ。如圖所示，二極管D1在該降壓轉(zhuǎn)換器芯片的外部。

在剛剛提到的文章中（參見參考文獻(xiàn)2），TI工程師提供了一些選擇外部整流二極管D1的技巧。根據(jù)本說明，在為非同步降壓轉(zhuǎn)換器選擇整流二極管D1時，電源設(shè)計(jì)人員必須考慮三個關(guān)鍵規(guī)范。這些包括反向電壓，正向電壓降和正向電流。雖然額定反向電壓必須至少比開關(guān)節(jié)點(diǎn)的最大電壓高2 V，但正向壓降應(yīng)該很小，以提高效率。此外，TI app文件指出峰值電流額定值必須大于最大輸出電流加上峰峰值電感電流的一半。 TI還提醒說，在低輸出電壓下，D1作為鉗位二極管工作，比高端MOSFET傳導(dǎo)更多電流。第四個考慮因素是設(shè)計(jì)人員必須確保所選二極管的封裝能夠處理功耗。

考慮到這些要點(diǎn)，TI工程師為非同步轉(zhuǎn)換器TPS54331選擇了Diodes Inc.二極管B340A。它提供40 V的反向額定電壓，0.5 V的正向壓降和3 A的正向電流額定值。根據(jù)所需的輸出電壓VOUT，表1提供了非同步降壓轉(zhuǎn)換器的無源元件值圖3中的電路。

VIN（V）VOUT（V）FSW（kHz）LO（μH）CO RO1（KΩ）RO2（KΩ）C2（pF）C1（pF）R3（KΩ）12 5 570 6.8陶瓷33μFx2101.91 39 4700 49.9 12 3.3 570 6.8陶瓷47μFx210 3.24 47 1000 29.4 12 1.8 570 4.7陶瓷100μF108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3陶瓷100μFx210 80.6 56 5600 29.4 12 5 570 6.8鋁330μF/160mΩ101.91 68 120 29.4 12 3.3 570 6.8鋁470μF/160mΩ103.24 82 220 10 12 1.8 570 4.7 SP100μF/15mΩ108.06 68 5600 29.4 12 0.9 570 3.3 SP330μF/15mΩ1080.6 100 1200 49.9

表1：圖3中基于TPS54331的降壓轉(zhuǎn)換器電路的無源元件值。

測量效率性能

由于效率由總轉(zhuǎn)換器損耗決定，包括co提示，開關(guān)和靜態(tài)電流，用于計(jì)算高側(cè)和低側(cè)MOSFET中這些損耗的公式在TI論文中給出。它還提供了計(jì)算非同步降壓電路整流二極管功耗的公式。這些方程清楚地表明，有幾個因素會影響非同步和同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率，例如漏極 - 源極電阻，漏極 - 源極正向電壓，占空比，頻率和功率MOSFET上升和下降時間。

由于電感器的交流和直流損耗以及輸出電容的等效串聯(lián)電阻也會導(dǎo)致整體轉(zhuǎn)換器損耗，因此TI工程師為這兩種轉(zhuǎn)換器電路配置了相同的LC濾波器。根據(jù)TI應(yīng)用期刊文章中提供的結(jié)果，盡管兩個器件的固定開關(guān)頻率略有不同，但影響并不是改變該演示的結(jié)論.2

對于12 V的直流輸入電壓，測量效率圖4和圖5繪制了兩個降壓轉(zhuǎn)換器在1.5和2.5 V直流輸出電壓下的性能。圖4顯示，在滿負(fù)載時，基于TPS54325的同步電路在1.5 V輸出時提供更高的效率，因?yàn)樗哂械驼伎毡龋ūM管TPS54325具有高端漏極 - 源極電阻，但正向壓降為0.5 V的非同步降壓轉(zhuǎn)換器的功率二極管比同步電路的70mΩSRMOSFET消耗的能量更多。但是，在輕負(fù)載時，非同步轉(zhuǎn)換器優(yōu)于同步解決方案。

圖4：在低占空比時，同步降壓轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)載時提供更高的效率，但在低負(fù)載時效率低于非同步電路。然而，當(dāng)12 V輸入的2.5 V輸出時占空比增加到21％時，非同步轉(zhuǎn)換器的低端整流二極管的功耗顯著下降，從而提高了所有負(fù)載的效率。圖5比較了非同步轉(zhuǎn)換器TPS54331與TPS54325同步解決方案的效率性能。結(jié)果表明兩個轉(zhuǎn)換器的滿載效率幾乎相同，而在低負(fù)載時，非同步轉(zhuǎn)換器提供了更高效的性能。

圖5：在具有12 V輸入的2.5 V輸出時，與TPS54325的同步解決方案相比，非同步降壓轉(zhuǎn)換器TPS54331在較輕負(fù)載時的效率性能要高得多。

除了在輕負(fù)載下采用非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）外，非同步轉(zhuǎn)換器TPS54331還采用稱為Eco模式的脈沖跳躍技術(shù)，可提高輕載效率。這種工作模式可以減少功率MOSFET的開啟次數(shù)，從而降低開關(guān)損耗。總之，本文已經(jīng)表明同步降壓轉(zhuǎn)換器并不總是更有效，并且非同步效率可以在輕負(fù)載和更高占空比時優(yōu)于同步轉(zhuǎn)換器。