如何优化降压转换器的效率和性能？

时间： 2024-05-24 来源：TOPPOWER（顶源科技）官网

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电源技术中的降压转换器

电力电子设备中使用的降压转换器或降压转换器对于有效调节和控制输出电压（使其低于输入电压）至关重要（图1）。设计人员经常在电源效率和空间限制至关重要的应用中使用降压转换器，例如：

便携式电子设备。降压转换器可在智能手机、平板电脑和可穿戴设备中实现高效电源管理，从而延长电池寿命并减少热量产生。

DC-DC电源。降压转换器为工业和汽车应用中的各种子系统和组件提供稳定的稳压电源。

电压调节器。电压调节模块(VRM)使用降压转换器为微处理器和其他敏感电子元件提供且稳定的电压。

图1.降压转换器的电压和电流。图片由维基百科/知识共享许可提供

了解连续导通模式和断续导通模式

连续导通模式(CCM)和间断导通模式(DCM)之间的关键选择是现代降压转换器技术的。了解每种模式的特征和含义对于设计高效可靠的降压转换器至关重要。

连续导通模式

在CCM中，电感器电流连续流动，在开关周期内永远不会达到零。对于在大负载下需要稳定、稳定的输出电压和更高效率的应用，设计人员更喜欢这种模式。CCM具有以下优点：

减少输出电压纹波。CCM中的连续电感器电流可产生比DCM更低的输出电压纹波，这有利于噪声敏感应用。

重负载时效率更高。由于连续功率传输和峰值电流降低，CCM在重负载条件下实现了更高的效率。

简化控制。CCM允许更简单的控制方案，例如电压或电流模式控制，更容易实现和优化。

要实现CCM性能，需要仔细考虑电感器尺寸、开关频率和控制环路稳定性（图2）。设计人员必须确保电感值足以维持连续电流，并对控制环路进行适当补偿以避免不稳定。

图2.在连续导通模式下工作的理想降压转换器的电压和电流。图片由维基百科/知识共享许可提供

不连续导通模式

相比之下，在DCM中，电感器电流在每个开关周期的一部分时间内降至零（图3）。该模式在负载变化较大或负载较轻的应用中具有优势，可在这些条件下提供更高的效率。DCM具有以下优点：

提高轻载效率。在DCM中，电感器电流达到零，从而降低开关损耗并提高轻负载时的效率。

固有的稳定性。DCM具有固有的自稳定特性，因为每个开关周期中的电感电流都从零开始，从而简化了控制环路设计并增强了稳定性。

减少反向恢复损耗。当电感器电流在下一个开关周期之前达到零时，DCM可限度地减少二极管或同步整流器中的反向恢复损耗。

同时，设计人员必须注意DCM的潜在缺点，例如增加的输出电压纹波和更高的峰值电流，这可能会影响输出电容器的选择和整体系统性能。

图3.在不连续导通模式下工作的理想降压转换器的电压和电流。图片由维基百科/知识共享许可提供

自适应模式切换

自适应模式开关代表了一种提高降压转换器技术效率和性能的变革性方法。自适应模式开关使降压转换器能够动态适应负载条件并在CCM和DCM之间无缝转换，从而在各种负载下优化效率。

自适应模式开关背后的基本原理是在重负载条件下以CCM模式运行降压转换器，利用其降低输出电压纹波和提高效率的优势。当负载减少并进入轻负载区域时，转换器会智能地切换到DCM，从而受益于改进的轻负载效率和固有稳定性。

实现自适应模式切换需要先进的控制算法来准确检测负载变化并就模式转换做出明智的决策。这些算法通常涉及监视电感器电流或输出电压纹波以确定适当的工作模式。迟滞控制、负载电流感测和过零检测通常用于实现实用的自适应模式切换。

实现自适应模式切换的一项关键挑战是确保模式之间的平滑转换。突然的模式变化可能会引入瞬态干扰，导致输出电压偏差或不稳定。为了缓解这些问题，设计人员必须仔细设计控制系统，以在CCM和DCM之间提供渐进且受控的过渡。软启动、限流和自适应补偿等技术有助于促进平滑的模式转换。

自适应模式切换可提供显着的效率和性能优势。通过根据负载条件优化工作模式，降压转换器可以在较宽的负载范围内实现更高的整体效率。这意味着便携式设备的功耗降低、热管理得到改善并电池寿命延长。此外，自适应模式切换增强了转换器的动态响应，使其能够快速适应突然的负载变化，同时保持稳定的输出电压调节。

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