利用二极管仿真模式提高降压转换器轻负载效率

        降压转换器开关稳压器拓扑历经多年演变，设计工程师不断增加新的改进，以提高效率及整体性能。图1(a)显示了一种早期的降压转换器，其在总电源开关关断期间使用二极管整流器。为提高效率，设计工程师修改了降压拓扑，用图1(b)所示的同步FET（sync FET）代替了二极管。虽然同步FET相比于二极管提高了效率，但它造成了在轻负载条件具有不良效应的电路行为。为克服这些不利的轻负载效应，工程师添加了二极管仿真模式来强化同步FET设计。

图1：(a) 使用二极管整流器的降压转换器，(b) 使用同步FET的降压转换器

        本文的目的是解释进步的演化步骤，帮助电源设计工程师理解二极管仿真的优势，许多现代降压控制器和开关稳压器都使用了二极管仿真模式。

        图2(a)显示了使用二极管整流器的单晶体管降压控制器。当开关导电时，电感中的电流增加。电流大小是电感上的电压和开关闭合时间（ON时间）的函数。开关闭合（ON）与开关打开（OFF）的时间之比被用于调节输出电压。

图2：(a) 使用二极管整流器的单晶体管降压控制器，(b) 控制器在开关打开时使电流流向电感

        如图2(b)所示，当开关打开（OFF）时，电流继续在电感中流动。当开关电源关断时，二极管为电感电流提 供通路。这在使用降压转换器来调节较高输出电压时是实用的解决方案。但在需要较低输出电压且输出电流强度变得越来越大，那么由于二极管的损耗，该解决方案 会变得不切实际。损耗与二极管的压降乘以负载周期中电流流经二极管的部分期间的电流强度成比例。为提高效率，工程师用具有较低正向电压降（约0.4V）的肖特基二极管代替了标准二极管（约0.7V），但这种方案也有其局限性。

         为进一步提高效率，工程师用FET开关代替了二极管功能。该FET开关称为同步FET（sync FET），因为它只在总电源开关的OFF时间接通（ON）。如图3所示，当降压转换器在标称输出负载条件下工作时，电感电流始终为零或更大。

图3：降压转换器工作时电感电流始终大于零。

        在标称负载条件下，电感电流始终为正，从电感的输入侧流向输出侧。电流由DC部分组成，但它还有一个称为纹波电流的AC分量。当DC和AC分量的电感电流之和在整个开关周期内保持正值时，即称为转换器在连续导电模式（CCM）下工作。但如果轻负载条件下的电感电流变为负值或零，则称为转换器在断续导电模式（DCM）下工作。

         在使用二极管整流器的单开关降压转换器中，电感电流绝不会变为负值，因为二极管只允许电流向一个方向流动。因此，当转换器处于轻负载条件下时，DCM期间的电流将如图 4 所示。

图4：轻电流负载条件下采用 DCM 工作模式的降压转换器

         图5显示了当降压转换器的二极管被同步FET代替且在轻负载条件下工作时会发生什么事情——电流变为负值。

图5：降压转换器的同步FET允许负电流

        与使用二极管整流器的标准DC/DC降压稳压器不同，同步FET会造成电感中的电流在DCM期间“往回”流动，从而从输出滤波电容偷取能量。该行为会降低轻负载效率，因为这时低边 MOSFET 会吸收电感电流而造成不必要的导电损耗，要提高效率就应当完全阻止该电流的流动。

        许多现代控制器都包括用于通过使低边同步FET模拟二极管的电流阻挡行为来避免DCM导电损耗的电路。这种智能二极管工作模式称为二极管仿真模式（DEM），用于在电路感测到电感电流开始向错误方向流动时关断同步FET。该电路可监控低边同步FET的RDS(ON)上的电压，并在不利条件发生时关断FET。

         例如，ISL8117高压降压控制器（VIN范围 60 V - 4.5V，VOUT范围54 V - 0.6 V，工作频率范围100 kHz - 2 MHz）提供了模式选择，可启用DEM电路来提高轻负载效率。启用后的DEM电路可检查同步FET上的电压，并在发现电感电流在LGATE处于高态（SYNC FET处于ON状态）的八个连续PWM周期为负值时激活DEM。使用基于八个周期的检测可防止激活DEM时产生噪声。如果ISL8117进入DEM模式，则控制器的开关频率也将下降。这两个动作会通过不允许负电流和通过减小不必要的栅极驱动开关损耗来提高效率。频率降低程度与负载电流的减小成比例。

         图6显示了在DEM启用和未启用时实现减小的ISL8117降压稳压器电路输入电流。图6的数据是使用VIN为48V 和VOUT为12V配置的ISL8117评估板来支持满量程20A负载的条件下取得的。DEM电路用于提高轻负载效率。

图6：在DEM启用时实现减小的ISL8117输入电流

       结束语

        如果你的降压稳压器应用需要卓越的轻负载效率，那么您需要考虑选择可提供DEM的控制器或稳压器。这样可以避免DCM导电损耗和减少不必要的栅极驱动开关损耗，帮助你的下一个电源设计满足性能规范目标。

         参考资料

        ·了解有关ISL8117的更多信息。

        ·获取ISL8117数据表。

        ·观看视频 ISL8117概览。

        ·观看ISL8117评估板和演示板的视频。

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