半導體技術的發展使電子設備可以在3.3V、2.5V、1.8V甚至低于1V的電壓下工作。與傳統的降壓轉換器相比，同步降壓轉換器用MOSFET來代替續流二極管，因而能以更高效率提供大電流和低電壓輸出，同步降壓轉換器在待機期間的功率損耗可大大減少。盡管同步降壓轉換器具有很高的效率，但由于采用了兩個MOSFET元件，所以控制難度增加，也更難以對元件進行優化。采用MOSFET代替續流二極管會影響轉換器固有的斷續電流模式(DCM)，并降低輕負載下的轉換效率。本文將對這些問題進行討論，并提出相關的解決方法。
由于在同步穩壓器中采用兩個MOSFET元件，所以必須小心地控制，以免出現電流過沖，導致電源通過兩個MOSFET元件被短路接地。此類電流會引起很大的開關損耗，更糟糕是可能燒毀MOSFET元件或電源。為降低上述風險，一般會在開關之間插入適量的延時，即死區時間。此外，在轉換率比較高的情況下，即輸出電壓和輸入電壓之間差別很大時，兩個MOSFET的導通時間會有很大的差別，甚至可以相差10倍。例如，一個24V輸入和18V輸出的轉換器要求占空比為7.5%，因此導通時間的比為0.075:0.925，兩者大約相差12倍�；谶@個原因，應該采用額定功率不相同的MOSFET來優化設計并降低元件成本。
但是，采用額定功率不同的MOSFET將增加采用分立部件構建同步穩壓器的難度。市面上各類MOSFET的導通時間和截止時間各不相同。因此合理地確定死區時間以及相關的電路需要花費較多的時間。此外，由于可供選擇的MOSFET有限，所以要找到一個具有合適額定功率的MOSFET來優化設計并非易事。
在同步降壓轉換器中采用MOSFET代替續流二極管，不僅可降低導通損耗，還允許電感器的電流雙向流動。因此，即使輸出電流很小(輕負載)，同步降壓轉換器都可以維持連續電流模式(CCM），而無需被迫工作于DCM。圖1給出了是降壓轉換器和同步降壓轉換器在大輸出電流和小輸出電流情況下的電感器電流波形圖。兩種轉換器在大輸出電流下都能保持CCM。但在輕負載下，降壓轉換器被迫進入DCM，因為它采用的二極管阻隔了電感器所有的反向電流。同步降壓轉換器的MOSFET可讓負向電流通過，因此仍能保持CCM。
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| 圖1：降壓轉換器(a)和同步降壓轉換器(b)在大輸出電流和小輸出電流情況下的電感器電流波形圖。 |
如果待機效率非常重要，那么同步轉換器在低負載狀態下便不宜工作于CCM，因為MOSFET在大部分時間內都會產生導通損耗，這將導致總功率損耗變得很大。對于DCM，當電感器電流等于零時，無論是采用MOSFET或是續流二極管，都不會出現導通損耗。此外，零電流開關特性也有助于降低開關損耗。因此，盡管同步降壓轉換器在大輸出電流況下的效率很高，但低輸出功率情況下的效率卻很低。這一點對要求低待機功耗的應用特別重要。
為解決上述問題，可以增加一個控制電路對MOSFET的電流進行檢測。一旦發現電流為零便關閉MOSFET，以阻止反向電感電流通過。此時，MOSFET的功能就像一個二極管，使同步轉換器在低負載時工作在DCM，并同時保持低的電壓降。這個電路不會影響同步轉換器在高輸出電流條件下的性能，卻明顯改進了同步轉換器在低輸出功率下的效率。
同步降壓轉換器的最有效的實現方式就是單芯片解決方案。單芯片方案可以優化MOSFET尺寸，使其達到最佳效果。由于MOSFET被集成在芯片內，所以能夠采用專用設計來優化死區時間和驅動電路。此外，集成的MOSFET使得檢測MOSFET的電流變得更加容易。若要執行DCM運行方式，可以在適當的時間關閉MOSFET。
美國國家半導體公司的PowerWise系列產品LM310x(包括LM3100、LM3102和LM3103)都具有上述技術優勢。這些產品內置了MOSFET，且都是高性能同步降壓轉換器。特別值得一提的是這些產品的零線圈電流探測電路支持DCM運行方式。圖2為LM3102的典型應用原理圖。
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| 圖2：LM3102的典型應用原理圖，電路輸出電壓為3.3V。 |
圖3給出了在輸出電壓為1.8V的條件下，LM3102和降壓轉換器(非同步)的效率曲線。由此可見，在相同的輸入電壓下，LM3102的效率一般比降壓轉換器高10~15％，這是因為降壓轉換器中的續流二極管消耗了很多功耗。LM3102采用的是MOSFET元件，功率損耗得以大大改善，在輸出電壓低的情況下也能達到很高效率。
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| 圖3：LM3102和非同步(降壓)轉換器的效率對比。 |
圖4對傳統的同步降壓轉換器與LM3100的效率進行了對比，其中輸入電壓及輸出電壓分別為12V及1V。在高輸出電流情況下，兩種轉換器的效率都超過70%。但在負載較小的情況下，傳統同步轉換器采用CCM運行方式，效率明顯降低。不過，LM3102也可以進入DCM運行，因此它在低輸出電流下也具有很高的效率。對于那些在待機狀態下仍要求高效率的應用而言，LM3102具有突出優勢。
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| 圖4：LM3100與傳統同步轉換器的效率對比。 |
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