本期技术通讯主题为“电源IC的基础及小型/低功耗设备、控制/处理电路板的电源设计”。
上期介绍了DC/DC转换器的控制方式——PWM控制和PFM控制。本期作为第11期，将讲解DC/DC转换器中应用最为广泛的降压DC/DC转换器的基本工作原理。
第11期｜理解降压DC/DC的基本工作原理
■ 什么是降压DC/DC转换器
降压DC/DC转换器是一种能够产生低于输入电压的输出电压的电源IC。
例如，
5V降至3.3V、12V降至3.3V、24V降至3.3V
DC/DC转换器常用于以上电源电路。
虽然LDO也能降低电压，但在输入电压与输出电压差较大或输出电流较大的情况下，损耗和发热会增加。
在这种情况下，使用降压DC/DC转换器可以高效地进行电压转换。
■ 通过线圈和开关传递能量
降压DC/DC转换器主要由以下部件构成：
主控开关：用于将电流从输入侧导入线圈的开关。
线圈：通过电流来储存能量，并在开关关闭后仍保持电流流动。
整流元件或同步整流开关：在主控开关断开期间，作为线圈电流的通路。
输出电容：抑制输出电压的波动，向负载提供稳定的电压。
在降压型DC/DC转换器中，通过高速开关主控制开关，将线圈中储存的能量传输至输出端，从而产生低于输入电压的稳定电压。
开关导通时的动作
当主控开关导通时，电流从输入电源经线圈流向输出端。此时，线圈电流会逐渐增加。
线圈具有抗拒电流突然变化的特性。因此，在开关导通期间，线圈电流并非呈阶梯状上升，而是呈斜线状上升。在此期间，线圈会储存能量。
※降压DC/DC，主控开关导通时
(a) 电路与电流路径 (b) Lx（开关节点）、IL（线圈电流）
开关OFF时的动作
当主控制开关OFF时，来自输入侧的电流路径被切断。但是，线圈会试图维持此前流过的电流。因此，电流会通过整流元件或同步整流开关继续流向输出侧。此时，线圈电流会逐渐减小。
也就是说，降压DC/DC转换器会反复进行开关导通时线圈电流增加、关断时线圈电流减少的动作。通过这种循环，向输出端提供所需的电力。
※降压DC/DC，主控制开关关闭时
(a) 电路与电流路径 (b) Lx（开关节点）、IL（线圈电流）
■ 什么是占空比
在PWM控制中，以固定周期进行开关操作，并调整该周期内开关导通的时间。将开关在该一个周期内导通的时间所占的比例称为占空比。例如，如果开关仅在1个周期的一半时间内导通，则占空比为50%。
■ 什么是CCM工作模式
降压DC/DC转换器的运行模式包括CCM模式和DCM模式。
CCM是Continuous Conduction Mode的缩写，日语中称为连续模式。
在CCM工作模式下，在一个开关周期内，线圈电流不会降至0A，而是持续流动。当输出电流相对较大时，更容易进入这种工作模式。
由于CCM工作模式下线圈电流持续流动，因此更容易向负载稳定地供电，是重负载时的基本工作模式。
此外，在理想条件下，占空比主要由VIN与VOUT的比值决定，与输出电流的关系不大。
■ 什么是DCM工作模式
DCM是Discontinuous Conduction Mode的缩写，日语中称为非连续模式或断续模式。
在DCM工作模式下，开关关闭期间线圈电流会降至0A，随后直至下一次开关导通前，线圈电流将保持为0A。当负载电流较小的轻载情况下，更容易出现这种工作模式。
由于DCM工作模式下线圈电流存在中断时间，因此其与CCM工作模式在输出电流及占空比的关系上有所不同。
这是理解轻载时的运行状态、纹波及噪声的关键工作模式。
■ CCM与DCM的区别
简而言之，CCM与DCM的区别在于线圈电流是始终流动，还是会在过程中降至0A。
CCM工作模式：线圈电流不会降至0A，而是持续流动。主要出现在重负载时。
DCM工作模式：线圈电流会有变为0A的间隔。主要出现在轻载时。
这一差异会影响输出纹波、效率、噪声特性以及负载响应等。因此，在查阅DC/DC转换器的数据手册时，掌握其在不同负载条件下的工作模式至关重要。
■ 何谓同步整流
在降压型DC/DC转换器中，即使主控制开关处于OFF状态，也需要维持线圈电流。
过去，肖特基势垒二极管常被用作该电流路径。然而，二极管会因正向电压而产生损耗。当输出电流增大时，这种损耗会导致效率降低和发热。因此，人们开始采用以FET开关替代二极管的方式，这被称为同步整流。
在同步整流中，通过在适当时机开启/关闭FET，可以以比二极管更低的损耗来维持线圈电流。
在当前的DC/DC转换器中，为了提高效率，同步整流方式已被广泛采用。
■ Pch-Nch结构与Nch-Nch结构
同步整流的开关结构主要有Pch-Nch结构和Nch-Nch结构两种。
Pch-Nch结构多用于低耐压的DC/DC转换器。该结构在高侧使用P型FET，在低侧使用N型FET。
Nch-Nch结构常用于中高耐压或大电流的DC/DC转换器。N型FET比P型FET更容易降低导通电阻，因此更适合大电流和高速工作。
不过，若在高侧使用N型FET，则需以高于输入电压的电压驱动其栅极。因此，通常会采用自举电路等驱动电路。
※同步整流与开关结构
(a) Pch-Nch型结构 (b) Nch-Nch，自举驱动
■ 需注意100%占空比工作
当输入电压接近输出电压时，降压DC/DC转换器能将输出电压维持在何种程度就变得至关重要。
在Pch-Nch结构中，通过持续导通高侧的Pch FET，具有易于应对100%占空比运行的优势。
另一方面，Nch-Nch结构由于采用了自举电路，因此有时难以使高侧保持完全导通状态。因此，当输入电压下降时，输出电压能维持到什么程度，需要根据具体产品在数据手册中进行确认。在电池设备或输入电压波动较大的系统中，这一点可能尤为重要。
■ 设计时需确认的要点
在选型降压DC/DC转换器时，确认以下项目将有助于评估：
输入电压范围是否符合实际使用条件
针对输出电压，占空比条件是否满足
输入电压降低时能否维持输出
针对最大输出电流，线圈电流及电流限制是否有足够余量
重载时的效率和发热是否正常
轻载时的效率是否会影响电池寿命
采用同步整流方式还是二极管整流方式
噪声和纹波对负载电路是否在可接受范围内
外接线圈和电容器是否满足推荐条件
＜总结＞
降压DC/DC转换器利用主控开关、电感、整流元件和电容器，通过开关操作产生低于输入电压的输出电压。
开关导通时线圈电流增加，关断时线圈电流减少。通过重复此动作，向输出侧提供能量。
另外，工作模式包括线圈电流连续的CCM模式，以及线圈电流在过程中会降至0A的DCM模式。
此外，通过采用同步整流，可以比二极管整流更有效地抑制损耗，从而实现更高效率。
■ 下期预告
第12期｜哪种控制方式对负载波动的适应性更强？
作为抗负载波动的控制方式，我们将介绍COT控制和高速瞬态响应。
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