如何为降压应用选择合适的Buck转换器和控制器？
技术文章 | 如何为降压应用选择合适的Buck转换器和控制器？
01 DCDC降压稳压器是什么
DC-DC电源中常用的降压稳压器，依靠两个功率开关管来执行开关功能。开关管在控制器的驱动作用下，以一定的占空比交替在电感里存储能量并释放给负载。一般从芯片是否集成了开关管来区分DCDC降压稳压器：降压转换器（集成功率开关管）和降压控制器（外置功率开关管）。
图1 SCT2A23降压电路
降压转换器如图1由一颗SCT2A23芯片、一个功率电感L1及输入输出电容，构成了100V输入转换成12V输出的降压电路，功率开关管集成在了芯片内部，如图2所示HS、LS。
图2 SCT2A23 芯片内部框图
降压控制器如图3所示，芯片内部无功率开关管。
图3 SCT82A30 降压控制器内部框图
如图4所示，降压控制器内部只有控制电路，故而叫控制器。需外加功率开关管才能构成一个完整的降压电路：由SCT82A30、两个功率开关管Q1和Q2、功率电感L1及输入输出电容，构成了100V输入转换成5V输出的降压电路。
图4 SCT82A30 降压电路
02 转换器与控制器的应用特点
同步Buck转换器与控制器到底孰优孰劣涉及诸多考量，如功率需求、空间约束、成本控制等。
实际应用中，转换器主要用于较高电压转换至较低压的输出，比如12/24/48V转5V,5V转1.2V/1.8V等。这类应用下，下管会有更长的导通时间，因此下管比上管更低的Rdson设计，有利于均衡上下管所产生的导通损耗和覆盖大部分应用需求。如图5 SCT2A23，上管Rdson是530mΩ，下管Rdson是220mΩ。
图5 SCT2A23部分参数
因此对于某些大占空比输出特殊应用场合时，由于内部MOS固定，转换器可能不能实现标称的最大电流能力输出。控制器则可根据应用需求灵活选择不同的外置MOSFET，调整上下管的功率损耗分配。
03 如何正确选择Buck控制器的功率MOS
功率MOS作为Buck系统功率路径的阀门与功率损耗的承载者，选好功率开关管对电源系统的高效稳定运作十分重要。这需要系统效率/温升情况/空间尺寸/成本等多维度综合考虑。
1、功率MOS的耐压
MOS管的漏源耐压需要大于开关节点的最大关断震荡尖峰电压，这需要考虑最大输入DC电压下的SW节点尖峰电压VSW_PEAK=VIN_MAX+VNOISE 如图6仿真值
在初步选项时，通常耐压可以先以VDS>120%×VIN_MAX的安全裕量进行考虑。噪声电压VNOISE是由功率环路寄生杂感在快速的di/dt开关变化下产生，调试时可以通过减缓开通关断速率或增加RC吸收的方式降低，确保VSW_PEAK在MOSFET安全耐压内。
图6 开关节点电压尖峰
2、控制器驱动MOS的损耗分析
为确定MOSFET是否适合某一应用，需要先计算其功率损耗和温升情况，再去考虑哪些关联参数可以优化。首先，MOSFET上产生的总损耗PTotal=导通PCON+开关损耗PSW 如图7两部分能量损耗：
图7 MOSFET功率损耗构成
导通损耗PCON通过欧姆定律即可得出，D为导通占空比：（1）
上管开关损耗依据如下公式，开通与关断分别是在电感电流的谷值和峰值进行动作（2）
开关MOS管的开启关断过程如下图8所示，开关过程的损耗发生在电流电压的极速变化区间，从栅极电压升至VGS_th阈值电压到米勒平台结束的时间，记作tf，从米勒平台开始到栅极降至VGS_th阈值电压的时间，记作tr。
图8 MOSFET开通关断过程
tr和tf是与控制器的内部驱动参数和外置MOS的特性参数相关，如图9所示的驱动环路，其计算可根据电荷量公式Q=I×t近似得出（3）
图9 控制器驱动MOSFET的驱动环路
式中RG为控制器驱动端外部串联到MOSFET栅极的驱动电阻。RON_H和RON_L分别是控制器驱动端内部的导通漏源阻抗，如下图截取控制器SCT82A30电气性能表格中列出的Gate Driver值。
因此，MOS管的总栅极电荷量Qg、开通阈值电压VGS_th、驱动器内部的漏源阻抗RON以及驱动电压VDD，对MOS管在高速开关过程中的开关损耗有较大的影响。
下管的开关瞬态过程损耗，主要是死区时间内体二极管的续流损耗，损耗值
PSW_L可由（4）
其中tLGD_DT和tHGD_DT分别是上管导通时的死区时间和下管导通时的死区时间。在规格书中分别是25ns和22ns。
确认极限应用时的内部结温（热阻）
除了损耗，需要对器件进行热评估，初步判断所选MOS管的结温情况能否满足所需，确保结温限制在一定安全裕量。不同的热特性参数（热阻）描述的是因损耗产生的热在不同传播路径的阻抗(如图10)。
图10 封装器件热传递路径
两节点之间的温度差（ΔT）=两点之间的热阻值Rθ×在器件上的总损耗PTotal；
初步评估通常使用热阻值RθJA（结温到环境温度的热传递路径）和RθJC（结温到器件壳表面中心热传递路）（5）
SCT82A30是一颗5.5V-100V输入的同步降压控制器，可以提供驱动端2.3A和3.5A栅极拉罐电流能力，有效降低对外置MOSFET结电容等参数的要求，实现大功率大电流场景应用。内部提供7.5V稳压源，用于驱动外部MOSFET开通于合理的线性区；
图11 外部供电VCC图示
芯片可选两种外部电源供电为VCC供电，降低了芯片在高输入电压时内部LDO耗散的功率, 降低发热，提高系统整体效率。当EXTVCC超过4.7V时关闭内部LDO、接通到VCC。如图12在48V/72V应用时，使用外部EXTVCC带来13%效率提升。
图12 SCT82A30外部供电效率差异
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