外部电源开关同步降压控制器的拓扑结构

Power-1---同步降压控制器

引言：前面DC-DC系列以基础为主，且主要针对集成式DC-DC，本节开启电源的第二个系列，即Power系列，以分立式电源器件为主干内容，本节主要讲解外部电源开关同步降压控制器（Synchronous Step-Down Controller），即将一个标准集成DC-DC器件里面的开关MOS和同步MOS独立分拆出来，置于器件外部，结构层级分为两部分：同步降压控制器+外部开关。

1.拓扑结构

如图1-1所示，外部电源开关同步降压控制器即指第5部分，为1和2的合并体，3和4部分外置。

图1-1：外部电源开关同步降压控制器结构

如图1-2所示是一个单相（单输出）的外部电源开关同步降压器的结构图，顶部栅极驱动器和底部栅极驱动器分别驱动开关MOS和同步MOS。这样的结构带来的好处就是输出电流可以做到很大，外置MOS使得散热非常好，控制器基本不发热，当选用MOS的RDS越小，整个电源效率越高，热耗越小，散热也只需要对MOS进行处理，缺点就是整个供电模块体积会变大，Layout要求也比较高。

图1-2：单相单输出

TG：Top Gate Driver Output，顶部栅极驱动器输出。这是浮动驱动器的输出，其电压摆动等于INTVCC叠加在开关节点电压上。

BG：Bottom Gate Driver Output，该引脚驱动GND和INTVCC之间的底部N沟道MOSFET的栅极。

SW：电感器的开关节点连接，该引脚的电压摆动是从低于接地的肖特基二极管（外部）电压降到VIN。

INTVCC：内部调节器输出，作为上管VGS的增量电压，需要使用较大容值（最低2.2uF）的低ESR钽或陶瓷电容器将此引脚与GND解耦，且注意Boot电容的值。（传送门：DC-DC-19：如何设计Buck变换中的自举电路）

图1-3：同步降压控制器结构图

2.关键参数

1：Vin、Vout

2：最大开关频率f

3：最大输出电流Iout

4：HG（TG）和LG（BG）上升时间、下降时间

5：HG（TG）和LG（BG）的启动电平和驱动电流

6：最短开启时间

3.设计考虑项

电流检测/监控

控制器的电流监控，可以使用DCR（电感电阻）检测或高精度Rsense检流电阻，目前两种方案的选择在很大程度上是在成本、功耗和精度之间的设计权衡。DCR方案比较受欢迎是因为它节省了昂贵的检流电阻，且避免了额外的功率损耗，特别是在大电流应用中，但是检流电阻为控制器提供了最精确的电流检测。其他外部组件的选择由负载特性来决定，并从选择Rsense（如果使用Rsense）和电感器值开始，接下来选择功率MOSFET和肖特基二极管，最后选择输入和输出电容器。

功率MOSFET和肖特基二极管（可选）的选择

控制器必须选择两个外部电源MOSFET：一个N通道MOSFET用于顶部（主）开关，一个N通道MOSFET用于底部（同步）开关。

峰值到峰值的驱动电平由INTVCC电压设置，在启动时此电压通常为5V，因此在大多数应用程序中必须使用逻辑级阈值MOSFET。唯一的例外是，如果预期输入电压较低（VIN < 5V），则应使用子逻辑电平阈值MOSFET（VGSth<3V），同时也要注意MOSFET的BVDSS规格，大多数逻辑级的MOSFET被限制在30V或更小。

功率MOSFET的选择标准包括Rdson、米勒电容、输入电压和最大输出电流，米勒电容可以从MOSFET制造商的数据表上通常提供的栅极电荷曲线近似。当控制器在连续模式下运行时，顶部和底部MOSFET的占空比为：

主开关占空比Dm=Vout/Vin，同步开关占空比Ds=(Vin-Vout)/Vin，最大输出电流下的功率损失：

其中δ为Rdson的温度依赖性，Rdr（约2Ω）是MOSFET的Miller阈值电压下的有效驱动电阻，Vthmin是典型的MOSFET最小阈值电压，f是工作频率，Im是持续输出电流。

两个MOSFET都有I²R损失，而顶部的NMOS的Pm包含了一个额外的过渡损失项，这在高输入电压下是最高的。对于VIN<20V，高电流效率通常随着更大的MOSFETS而提高，而对于VIN>20V，过渡损耗迅速增加，使用更低的Rdson实际上提供了更高的效率。当顶部开关负载比低时，或当同步开关接通时间接近100%时，同步MOSFET损失最大。（1+δ）通常以归一化Rdson与温度曲线的形式给出，但δ=0.005/°C可以作为低压MOSFET的近似。

可选的肖特基二极管在两个功率MOS传导之间的死时间内导电，这可以防止底部MOSFET的体二极管打开，在死时间存储电荷，但需要一个反向恢复期，在高VIN下可能耗掉高达3%的效率。由于相对较小的平均电流，1A到3A肖特基一般较小比较合适，较大的二极管由于其较大的结电容而导致额外的跃迁过渡损耗。

最短开启时间

最小导通时间Tonmin是控制器能够打开顶部MOSFET的最小时间持续时间，它由内部定时延迟和打开顶部MOSFET所需的门充电决定。低占空比使用时可能接近这个最低准时时间限制，应注意确保：

如果占空比低于最小时间的范围，控制器将开始跳过周期，输出电压将会继续被调节，但纹波电压和电流将会增加。

4.开关MOS和同步MOS选型

原则上开关MOS和同步MOS选择同一型号，当然根据实际情况不一致满足性能要求也不会有什么问题，这里选两种MOS的考量点放在一起如下：

1：ID≥负载峰值电流Ipeak

2：VGSTHmax＜VGate

3：VDSS＞Vin

4：Min on和Min off＜计算值

5：温升，Rdson

 

图1-4：NMOS-1特性

 

图1-5：NMOS-2特性