WEBENCH設(shè)計(jì)工具來(lái)創(chuàng)建一個(gè)電源

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的占空比經(jīng)常被認(rèn)為只與輸入和輸出電壓成比例。但是，當(dāng)我們仔細(xì)查看計(jì)算結(jié)果時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)值也反映出了電路損耗。選擇會(huì)帶來(lái)更多損耗的組件，比如說(shuō)具有較高DCR的電感器，會(huì)導(dǎo)致占空比增加（對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器是如此），有可能導(dǎo)致其它組件的額外效率損失。當(dāng)使用TI的WEBENCH? 電源設(shè)計(jì)工具來(lái)創(chuàng)建一個(gè)電源時(shí)，此模型的計(jì)算結(jié)果并不依靠基本理想方程式，而是使用詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果，為你顯示組件損耗與占空比小幅變化之間的交互作用。為了對(duì)這一點(diǎn)有一個(gè)深入的了解，我們來(lái)看一看圖1中所示的一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器示例。

圖1.異步降壓轉(zhuǎn)換器

在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器中，占空比D被定義為D = Ton/Ts

在這里Ts = 1/開(kāi)關(guān)頻率

Ton = 開(kāi)關(guān)接通時(shí)間

當(dāng)高側(cè)電源開(kāi)關(guān)被接通時(shí)，電流從輸入流入，流經(jīng)電感器。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，二極管（或者在這個(gè)使用同步轉(zhuǎn)換器的情況下，為低側(cè)NMOS開(kāi)關(guān)）被接通，并且電流通過(guò)二極管（或低側(cè)NMOS開(kāi)關(guān)）循環(huán)，這是因?yàn)殡姼衅麟娏鞑荒芰⒓赐Ｖ?。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行期間，開(kāi)關(guān)的接通和關(guān)閉次數(shù)是均衡的，以保持所需的輸出電壓。圖2顯示的是，開(kāi)關(guān)接通時(shí)間內(nèi)，電感器電流和流經(jīng)高側(cè)MOSFET的電流上升，反之，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，二極管和電感器電流下降。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器波形。

通過(guò)代入，我們能夠獲得一個(gè)針對(duì)占空比的方程式，它取決于輸入電壓、輸出電壓、和FET與二極管壓降。如果FET和二極管壓降小于輸入和輸出電壓，占空比方程式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為Vout與Vin之間的比值。

對(duì)于一個(gè)理想同步降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)上無(wú)壓降或其它損耗，占空比正好為輸入電壓與輸入電壓的比值。

然而，一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)占空比的真實(shí)計(jì)算涉及高側(cè)和低側(cè)組件上的電壓。因此，我們回到非理想情況，并且將全部最初項(xiàng)包含在內(nèi)：

上面方程式中的電壓項(xiàng)與輸入負(fù)載電流，Iout，成比例。

通過(guò)觀察上述方程式，我們可以得出：

WEBENCH 電源設(shè)計(jì)工具計(jì)算值以這些真實(shí)損耗項(xiàng)為基礎(chǔ)。為了研究占空比期間的Vin，Iout，和電感器上DCR的影響，用TI的TPS54325-Q1 4.5V至18V輸入，3A同步降壓轉(zhuǎn)換器創(chuàng)建了一個(gè)設(shè)計(jì)，其中Vin=11.5-12.5V，在輸出電流為3A時(shí)，并且Vout=3.3（請(qǐng)見(jiàn)圖3）。

圖3-TPS54325-Q1同步降壓轉(zhuǎn)換器，Vin=11.5-12.5V，3A Iout負(fù)載時(shí)的Vout為3.3V。

圖4-請(qǐng)注意，選用的電感器為TDK SPM6530T-2R2M，它具有2.2uH的電感值，以及19mW的DCR。

圖5-這個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算出的運(yùn)行值，其中包括28.8%的占空比，86.3%的效率值，以及0.22W的電感器功率耗散L Pd。

圖6. WEBENCH? 電源設(shè)計(jì)工具確認(rèn)了以下內(nèi)容：

為了研究DCR對(duì)于占空比和效率的影響，我們選擇一個(gè)Coilcraft公司的電感器XAL4020-222MB，它的電感值也為2.2uH，但是DCR增加到35mW（圖7）。請(qǐng)?jiān)谶@里查看此設(shè)計(jì)。

圖7. 選擇Coilcraft電感器XAL4020-222MB，電感值也為2.2uH，但是DCR增加到35mW。

如圖8中所示，隨著DCR的增加，現(xiàn)在的占空比為29.2%，效率下降到84.9%。

圖8.使用DCR為35mW的電感器時(shí)的OPval。

為了查看更大的變化量，選擇了具有更高DCR (0.5Ω) 和同樣電感值的定制電感器（圖9）。請(qǐng)?jiān)谶@里查看此設(shè)計(jì)。

圖9.具有0.50Ω DCR和同樣2.2uH電感值的定制電感器的設(shè)置。

需要注意的一點(diǎn)是，目前占空比大幅上升至40%，而效率驟降至57%。效率的下降是因?yàn)殡姼衅鲹p耗大幅上升至6.08W。圖10顯示了占空比的急劇增加，以及效率的迅速下降。

圖10.顯示了具有0.50Ω的高DCR的定制電感器影響的效率和占空比圖。

圖11和12總結(jié)了一個(gè)2.2uH電感器的19mΩ，35mΩ和0.5Ω的3個(gè)DCR情況，以及其對(duì)于占空比、效率和電感器功率耗散的影響。

圖11.針對(duì)3個(gè)DCR情況的OpVal比較。

圖12.針對(duì)效率、占空比和L Pd的匯總圖。

最后，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器必須工作得額外努力，才能在DCR增加時(shí)，將輸出電壓保持在需要的水平上，而這也導(dǎo)致了更高的功率耗散損耗。因此，選擇一個(gè)具有最小DCR的合適電感器，以便用最優(yōu)占空比盡可能地提高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率十分重要。