引言
您知道嗎，環境每升高10°C，元件壽命將減少50%？[1]電源陡降或變動會造成系統器件過早失效甚至完全燒毀？實際上，大多數人認為功率敏感產品需要持久且高效的電源，這是必不可少的。但采用什么結構呢？同步還是非同步？我們下面就討論一下上述兩種結構各自的優缺點。
供電選擇
每一種硬件系統都需要電源，而電源電壓大多高于電路要求。比如說電源輸入為9V，需要將其降低到5V，以保證系統正常運行。您有如下選擇：
- 具有基本穩壓功能的并聯型穩壓器，例如齊納二極管。齊納二極管及其限流電阻將9V電壓降到5V，齊納二極管限流電阻的壓降為4V。這種方法會產生熱量且浪費能源。
- 5V線性穩壓器(LDO)。同樣，輸入為9V，得到5V輸出；LDO上的壓降為4V。如果電路消耗1A電流，LDO則耗散4W功率。也可以說，浪費的4W功率被作為熱量釋放了。
- DC-DC轉換器。采用這種方法，開關對輸出電感和電容進行脈寬調制(即PWM)。當輸出電壓達到5V，PWM占空比下降到接近零值時，開關消耗的電流非常小，響應的功率損耗也非常低。這無疑是效率最高的設計選擇。
DC-DC轉換器輸入電壓可以為任意值，標準值為6V、9V、12V、24V、48V。變壓器將120VAC降到標準電壓，然后整流、濾波并調節到直流電壓，供商業或工業設備使用。例如，電話系統采用48V，由電池備份電壓決定。如果交流電網斷電，電池備份系統將無縫切入。便攜式設備則是另一回事。這些設備一般使用電池輸出的直流供電，但需要進一步穩壓。由于電池電壓經過一定時間周期后下降，需要對輸出電壓進行升壓，以保持穩定。如果系統工作電壓為3.3V，就需要在電池電壓下降的情況下仍然維持在3.3V。
設計電源中，您可以選擇“貌似”低成本的方案，例如上述簡單的并聯型穩壓器或齊納二極管。注意，我們之所以說“貌似”低成本僅僅是物料單上看起來是這樣。這些方法存在隱蔽和附加的功耗成本，從而造成系統發熱、縮短電子元件的壽命。另外，LDO輸出的噪聲非常低，但缺點是功耗較高、差壓較大，電池壽命較短。
目前設計者轉向DC-DC轉換器，使得輸出在效率、散熱、精度、瞬態響應以及成本方面都達到最優平衡。簡單直接是好的選擇...但實現最優DC-DC電源設計的過程如同在沒有地圖的雷區里導航，難度極大。轉換器的工作溫度限制了最大輸出功率，而工作溫度又隨著工業設備尺寸的縮小而升高。此外，大多數設備一般沒有強制的制冷/通風裝置或散熱條件非常有限。那么， DC-DC最佳的選擇是什么？
DC-DC設計選擇
現在，我們討論一下非同步和同步DC-DC轉換器結構，這兩種結構各有優缺點。非同步結構是較老的設計，值得注意的是外部肖特基二極管的功耗。這種功耗相當于降低了效率。我們推薦使用同步結構，因為其內部MOSFET具有較高效率，適合更小巧的尺寸。非同步轉換器與集成度更高的同步方案相比，其結構差異如圖1所示。
 圖1. 非同步DC-DC轉換器結構(左)利用外部肖特基二極管調節電壓；同步結構(右)用集成MOSFET代替肖特基二極管。
考慮一下電源效率。最近幾年，模擬IC廠商推出同步DC-DC轉換器來提高電源效率，彌補外部肖特基二極管非同步結構的功耗。現在，同步轉換器集成低邊功率MOSFET，來代替外部高損耗的肖特基二極管。低邊MOSFET的RON影響功耗，而二極管的正向偏壓VD決定肖特基二極管的功耗。如果兩種設計的電流保持相同，MOSFET壓降一般小于二極管壓降，所以MOSFET的功耗較低。
非同步方案中二極管的功耗為：
PD = VD × IOUT ×(1 – VOUT/VIN)
同步方案中MOSFET的功耗為：
PFET = RON × I²OUT × (1 – VOUT/VIN)
然而，有意見認為非同步降壓轉換器在輕載和高占空比時的效率較高![[2]]( "[2]") ，看起來也沒有某一個轉換器能夠從輕載到重載都具有最優效率。電源系統設計師又一次陷入“進退兩難”的處境![[3]]( "[3]") ？
為了回答這一問題，可以考慮非同步轉換器在輕載條件下實現高效率的主要原動力。非同步轉換器中，電感電流僅單方向流動，不可能為負值；同步轉換器中，電流雙方向流動，這是一項缺點。
 圖2. 同步轉換器和非同步轉換器中的電流流向。
為克服同步轉換器中的雙向電流，設計了不同的工作模式，在輕載條件下形成“偽同步”模式。現代的DC-DC轉換器支持三種模式(圖3)：
- PWM @ CCM：連續傳導模式下的脈寬調制。此時，轉換器工作在恒定頻率；IL允許為負值。該模式允許轉換器快速響應任何負載變化，哪怕下降到零負載，同時仍然保證輸出電壓紋波最小。但是，PWM@CCM模式在輕載時的效率較低。
- PWM @ DCM：非連續傳導模式下的脈寬調制。該方法也采用恒定頻率，但通過防止IL為負值來提高輕載時的效率。在輕載時禁止負方向電感電流，這與非同步方案類似。
- 帶深度休眠的PFM模式：帶深度休眠模式的脈沖頻率調制。該方法通過防止IL為負值，并在輕載時關斷兩個FET，采用跳脈沖，提高效率。跳脈沖期間，轉換器進入深度休眠模式，此時關斷不使用的內部電路，以節省靜態電流。該模式實現了最佳可能效率，具有最高的輕載效率，缺點僅僅是輸出電壓紋波略高。
 圖3. Maxim Integrated喜馬拉雅DC-DC降壓轉換器的多種工作模式。
負載電流為中等到滿載時，所有模式的工作方式相同；差異在于負載電流降低到小于電感電流紋波一半時。
您的系統是否大多數時間都處于待機狀態(即低負載工作)，并注重電池壽命？可以選擇PFM模式，因為該模式具有最高的輕載效率。而關于PFM模式有一點要特別注意：請檢查確認較高輸出紋波和較慢的瞬態響應不會對待機期間的系統性能造成不良影響。
輕載下的瞬態性能對您的應用特別重要？那么PWM @ CCM模式是最佳選擇，該模式具有最佳瞬態響應，即使負載下降為零。
PWM @ DCM模式是其它兩種模式的最佳平衡。
結論
技術在不斷進步，利用集成的高效率MOSFET代替外部肖特基二極管，并采用多種工作模式，同步方案在絕大多數緊湊設計中能夠提供出色的效率。采用新型同步技術提高下一代設計的電源性能，使總體設計更簡單、工作溫度更低，性能更好。 |
