一些應(yīng)用要求盡可能高的功率效率。例如，在某種惡劣環(huán)境下，要求DC/DC電源在高環(huán)境溫度下工作，這時(shí)就需要低功耗，以讓半導(dǎo)體器件的結(jié)溫保持在其額定范圍以內(nèi)。其他應(yīng)用可能必須達(dá)到“能源之星”規(guī)范或者綠色模式標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格效率要求。電池供電型應(yīng)用的用戶希望獲得最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，而降低功耗可以直接延遲設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。今天，我們都知道，使用同步整流器可以降低功耗，并提高散熱性能。低功耗應(yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在使用這種方法。另外，人們還開發(fā)了同步升壓控制器，用于解決升壓應(yīng)用的功率效率問題。

　　典型應(yīng)用

　　我們使用兩個(gè)典型的升壓應(yīng)用來說明同步和非同步整流之間的差異。第一個(gè)是低輸入電壓應(yīng)用，其可工作在低占空比下，也即輸出電壓接近輸入電壓時(shí)。這種系統(tǒng)的輸入例子是USB端口，或者一塊2節(jié)或者3節(jié)串聯(lián)電池組成的鋰離子(Li-Ion)電池組。DC/DC電源升高電壓，對(duì)2節(jié)鋰離子電池或者一臺(tái)平板電腦的電池進(jìn)行充電。另一個(gè)應(yīng)用增高系統(tǒng)電源軌的電壓至高輸出電壓，其可工作在更高的占空比下，這時(shí)輸出電壓遠(yuǎn)高于輸入電壓。輸入例子為12V電源軌。功率放大器、工業(yè)計(jì)算機(jī)或者高能量密度的能量存儲(chǔ)，均需要高輸出電壓。

　　為了說明同步整流的好處，我們使用真實(shí)電路對(duì)每個(gè)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，以比較效率和功耗。TI的TPS43060/61同步升壓控制器，用于展示這些同步設(shè)計(jì)。這些電流模式升壓控制器集成了控制與門驅(qū)動(dòng)電路，用于低側(cè)和高側(cè)MOSFET.TI的TPS40210電流模式、低側(cè)開關(guān)升壓控制器用于非同步設(shè)計(jì)。

　　基礎(chǔ)操作

　　圖1顯示了步進(jìn)(升壓)拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)圖。這種拓?fù)溆傻蛡?cè)功率MOSFET(Q1)、功率電感(L1)和輸出電容器(C1)組成。就同步拓?fù)涠?，高?cè)MOSFET(Q2)用于整流開關(guān)。

　　圖1 同步與非同步升壓電路

　　在非同步升壓拓?fù)渲?，使用了一個(gè)功率二極管(D1)。圖2顯示了開關(guān)和電感的電壓和電流的等效波形。在Q1“導(dǎo)通”期間，電感電流斜線上升，并且VOUT從VIN斷開。在此期間，輸出電容器必須為負(fù)載供電。在“斷開”期間，電感電流斜線下降，并通過整流開關(guān)對(duì)輸出電容器充電。整流器的峰值電流等于開關(guān)的峰值電流。

　　整流開關(guān)的選擇

　　非同步控制器使用一個(gè)外部功率二極管作為整流開關(guān)。選擇功率二極管時(shí)需考慮的三個(gè)主要方面是：反向電壓、正向電流和正向壓降。反向電壓應(yīng)高于輸出電壓，包括開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴余量。正向額定電流應(yīng)至少等于電感器的峰值電流。正向電壓應(yīng)較小，以提高效率和降低功耗。平均二極管電流等于平均輸出電流。所選二極管封裝必須能夠處理功耗。

　　同步控制器控制整流開關(guān)的另一個(gè)MOSFET.如果使用N通道MOSFET,則必須產(chǎn)生高于輸出電壓的電壓，以用于門驅(qū)動(dòng)器。利用一個(gè)自舉電路來產(chǎn)生這種電壓。圖1包括了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)自舉電路的典型結(jié)構(gòu)圖，其由自舉電容器(CBOOT)和自舉二極管(DBOOT)組成。在Q1“導(dǎo)通”期間，自舉電容器被充電至某個(gè)穩(wěn)定電壓(VCC)，其通常由一個(gè)控制器內(nèi)部的低壓降穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)。當(dāng)Q1關(guān)閉時(shí)，電容器到接地的電壓為VOUT+VCC,并且要求電壓可用于開啟高側(cè)開關(guān)?？刂齐娐芬脖仨毟訌?fù)雜，以確保整流開關(guān)導(dǎo)通之前有足夠的延遲，從而避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)開啟。如果出現(xiàn)這種情況，輸出電壓通過兩個(gè)開關(guān)短路至接地，引起可損壞開關(guān)的強(qiáng)電流。

　　整流開關(guān)的功耗

　　為了比較兩個(gè)不同整流器的效率，我們應(yīng)計(jì)算出功耗。在非同步拓?fù)渲?，可使用方程?估算出整流功率

　　二極管的功耗：

　　使用一個(gè)同步整流器時(shí)，共有兩個(gè)主要功耗源：傳導(dǎo)功耗和空時(shí)損耗。當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，在高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通以前存在一定的時(shí)間延遲(tDELAY)。在這種延遲期間，高側(cè)開關(guān)的體二極管(V S D)導(dǎo)電。一般而言，這被稱作空時(shí)(停滯時(shí)間)。當(dāng)高側(cè)開關(guān)開啟時(shí)，同樣存在MOSFET的RD S(O N)帶來的傳導(dǎo)損耗。方程式2計(jì)算占空比(D)，而方程式3估算損耗(PQ2)：

　　在要求低占空比的應(yīng)用中，整流開關(guān)導(dǎo)電時(shí)間占每個(gè)開關(guān)期間的百分比更大。但是，升壓拓?fù)渲蟹峭秸髌鞯墓呐cVI N變化帶來的占空比變化無關(guān)。這是因?yàn)椋琕 I N變化使二極管所導(dǎo)電流的變化大小相等但方向相反。根據(jù)方程式1,整流器損耗剛好等于正向壓降乘以輸出電流。同步整流器情況下，功耗對(duì)占空比有一定的依賴度，這是因?yàn)閭鲗?dǎo)損耗由F E T的電阻引起。這與二極管不同，二極管的損耗由正向壓降引起。電阻傳導(dǎo)損耗因電流的平方而不同，導(dǎo)致對(duì)占空比的依賴性，占空比更高，傳導(dǎo)功耗也隨之增加。

　　低占空比應(yīng)用的效率

　　為了評(píng)估低占空比應(yīng)用的功率效率，我們可對(duì)同步設(shè)計(jì)和非同步設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。同步設(shè)計(jì)使用T P S43061同步升壓控制器，其與C S D86330Q3D功率模塊搭配。該功率模塊同時(shí)集成了低側(cè)和高側(cè)MOSFET.非同步設(shè)計(jì)使用T P S40210非同步升壓控制器和一個(gè)CSD17505Q5A低側(cè)開關(guān)，其規(guī)格與功率模塊類似。這種設(shè)計(jì)具有一個(gè)肖特基二極管，用于整流器，其額定電壓和電流至少為15V和7A.具有這種額定值的肖特基二極管的可用最小封裝尺寸為T O-277A(SM P C)。僅根據(jù)典型開關(guān)封裝比較解決方案尺寸，我們發(fā)現(xiàn)，非同步開關(guān)和二極管占用面積為65m m2,而同步功率模塊開關(guān)的占用面積為12m m2.后者節(jié)省了53m m2的面積。兩種設(shè)計(jì)都使用了相同的L C濾波器和750kH z開關(guān)頻率。圖3顯示了12V輸入和15V輸出的這兩種設(shè)計(jì)的效率和功耗情況。理想占空比為20%.本例中，同步整流器的好處很明顯。滿負(fù)載效率提高了約3%,而非同步設(shè)計(jì)的功耗幾乎是同步設(shè)計(jì)的兩倍。

　　高占空比應(yīng)用的效率

　　為 了 評(píng) 估 高 占 空 比 應(yīng) 用 的 功率效率，我們?cè)俅螌?duì)同步設(shè)計(jì)和非同步設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。同步設(shè)計(jì)使用T P S43060同步升壓控制器，其有一對(duì)功率MOSFET,用于低側(cè)和高側(cè)開關(guān)。MOSFET使用30mm2的典型8引腳SON封裝。非同步設(shè)計(jì)使用TPS40210非同步升壓控制器以及一個(gè)相同的MOSFET用于低側(cè)開關(guān)。整流器的肖特基二極管額定值至少為48V和16A.肖特基整流器使用D2P A K封裝，典型面積為155m m2.相比非同步設(shè)計(jì)，同步解決方案節(jié)省了125m m2的電路板空間。兩種設(shè)計(jì)都使用相同的L C濾波器和300kH z開關(guān)頻率。理想占空比為75%.效率曲線表明，在這種應(yīng)用中，使用同步整流器沒有什么好處。從2.5~3.5A負(fù)載電流，同步解決方案的效率開始提高。但是，同步整流的主要好處是要求的電路板空間更少。

　　輕負(fù)載效率

　　同步設(shè)計(jì)使用的T P S 4 3 0 6 0和T P S43061的特點(diǎn)是非連續(xù)導(dǎo)電模式(D C M)反向電流檢測(cè)，其提高了更輕負(fù)載條件下的效率。它降低了開關(guān)、電感和檢測(cè)電阻器的傳導(dǎo)損耗，讓輕負(fù)載效率與非同步解決方案情況相同。C CM工作期間，開關(guān)、電感和檢測(cè)電阻器的估計(jì)損耗，決定了該效率的大小。這些曲線表明了D CM下工作的轉(zhuǎn)換器的輕負(fù)載效率相對(duì)改善情況。但是，對(duì)于一些低噪應(yīng)用或者要求快速輕負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用來說，犧牲高輕負(fù)載效率來讓C CM運(yùn)行保持在整個(gè)負(fù)載范圍，可能是一種更好的選擇。