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[参考译文] 高效降压转换器设计指南

Guru**** 633810 points
Other Parts Discussed in Thread: LM25116, LM25149, LM25148-Q1, LM25149-Q1EVM-2100, LM5085
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https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1102585/high-efficiency-buck-converter-design-guidance

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您好!

我正在寻求有关我正在研究的定制降压控制器设计的一些指导。 我的设计目标是>=97%的效率、因此为了实现这一目标、我将采用一种分立式实施方案、该方案使用具有栅极驱动器和外部 MOSFET 的同步降压控制器。 具体而言、我在确定将 PWM 控制器和栅极驱动器分离为单独芯片时是否有任何额外的值时遇到了困难。 我不敢相信这样做会进一步提高效率、这是我第一次设计电源、在这里我将这些东西分解成单个组件。 在无法从集成解决方案获得足够高的栅极驱动电流的情况下、似乎我只需要将 PWM 控制器与栅极驱动器分离。 这是一个非隔离式直流/直流转换器、因此我还尝试尽可能简化实施。 我的设计要求如下:

非隔离式直流/直流降压转换器

Vin (nom)= 24V (因此、高于该值的一些安全裕度、假设27V 已获得保修)

VOUT =可变12V 至24V。 我计划使用 MCU 对 FB 引脚上的偏置进行 PWM、以动态设置输出电压。

对于输出电压= 24V 的情况、我需要为高侧 N-FET 提供100%占空比支持。 如果这难以实现、我可能可以调整输入轨、使其改为24.5V、或者调整所选器件的最小压降。

Iout = 1.5A 至5A。 负载始终具有电阻性且相当恒定、因此只有在 MCU 更改输出电压时电流才会变化。

我有很大的空间来增大电感器和电容器的尺寸、我计划与较低的开关频率(高达几个100kHz)一起增大电感器和电容器的尺寸、以最大限度地提高效率。

如果你能为我提供一些关于这方面的一般性指导,或许还有一些关于开始工作的建议,我将不胜感激。 现在、我觉得太多的选项/选择让我有点不知所措。

我也不确定 MOSFET 的转换速度(即 tON、toff)。 我的理解是、驱动电路中的寄生效应会限制我在没有振铃的情况下切换栅极的最大速度、并且我需要配置栅极驱动电阻器(和并联 R-D)来在工作台上相应地调整转换时间。 因此、似乎有必要过度指定所需的最小栅极驱动电流支持、然后将其与电阻器卷入、而不是冒险低估所需的栅极驱动器电流。 即使知道 MOSFET Qg 和驱动器 Igate、我仍然无法很好地了解如何确定 MOSFET tton、toff 的初始目标值。 我不知道如何估算它。

谢谢!

Chris

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    你好,Chris!

    您提到您需要97%的效率。 您是指满载效率还是峰值效率?

    Shuai

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    您好、Shuai、

    对于此应用、将有一个介于1.5A 至4A 范围内的负载电流工作点。 该工作点将对应于负载最高效运行的位置、在我对实际硬件执行系统级评定之前、我不知道该工作点是什么。 因此、目前、我确实需要尽可能地在整个负载范围内实现效率最大化。

    也许我需要深入研究其中的一些螺母和螺栓、以便在这里最好地传达我的挑战。 我正在重新设计一个使用 OTS 热电控制器模块的现有系统、该模块目前能够在21V 电压下提供高达4A 的电流。 该现有电路并不总是能够提供必要的负载电流、因此该设计还实现了与控制器并联的固态继电器(SSR)开关。 当控制器无法提供足够的电流时、MCU 会将控制器从负载电路中切换、并在电路中切换 SSR、后者将24V 电源轨直接传递到负载。 我的目标是使用具有100%占空比的单个降压电源替换控制器和 SSR 开关、以便其可以模拟 SSR 直接连接。

    SSR 路径的效率约为99%、因此最重要的目标是在24V IN 至24V OUT 的情况下实现或超过 SSR 性能。 我发现一个 MOSFET 能够在饱和状态下超过现有 SSR (SIR184DP-T1-RE3)的性能、前提是我可以通过辅助自举/电荷泵电源输入获取降压控制器以提供100%占空比(即 LS FET 始终关断)。 在没有具有此功能的器件的情况下、我在对来自交流/直流砖型的24V 输入轨上的修整电位器进行热调节方面有一些余地、以覆盖最小压降、从而保证24V 输出。

    在输出电压<=21V 且输出电流<=4A 时、满足或超过现有 OTS 热电冷却器性能的效率要求约为96%。 我必须能够略过这一点(因此我的目标是97%)、因为我们没有任何有关现有系统热性能裕度的良好数据。 我处于一个困难的设计位置、因为除了现有设计性能之外、仅仅几摄氏度的额外热量会导致热失控。 因此、我需要将效率条设置得尽可能高。

    我在上面提到的最后一个复杂性是、我不相信当前设计是在效率最高的工作点运行负载、因此我无法明确地说、例如、我需要在电流为3.6A 的电流下实现峰值效率。 在我们使用新电源对整个闭合系统执行热特性之前、我不知道工作点。

    我希望这不是太令人困惑。 感谢您的聆听、如果您有任何后续问题、请告诉我!

    最棒的

    Chris

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    你(们)好  

    我们的器件无法满足您的要求。

    但我们可以将您的问题分配给 WV 团队。

    BSR-MV

    Shuai

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    您好、Shuai、

    您具体不能满足哪些要求? 它只是效率吗? 您能提供哪些最接近您的产品? 我也在关注其他供应商、但如果我的选择为零、我显然需要做出一些妥协。 我发现的一个似乎选中了大多数框的部分是 LM25116。

    谢谢、

    Chris

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    您可以尝试使用 LM25149或 LM25148-Q1、这些器件可以在压降条件下折返频率并实现接近100%的占空比。

    此外、LM25149和8的输入电流 Iq 比 LM25116低、这将提高效率。

    您可以创建 WEBENCH 设计来估算效率。

    在压降中、效率将由电阻损耗决定、因此应最大限度地减小高侧 FET 的 RDSON 和电感器的 DCR。

    随着频率下降、电感上升、DCR 也会上升。 我想说坚持300kHz 至400kHz 是一个很好的折衷方案。

    我建议订购 LM25149-Q1EVM-2100并对其进行修改、以满足您的设计要求、从而获得最佳的效率测量。

    -奥兰多

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    您好、Orlando。

    感谢您的建议。 但是、LM25116没有库存、交货周期超过一年。 我最近找到了 ADI (LTC7801)提供的一款合适且可用的器件、该器件满足我的所有要求、并具有电感器和 MOSFET、支持150kHz。

    谢谢、

    Chris

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    尊敬的 Chris:

    很高兴您找到了另一种选择。

    另请考虑能够实现100%占空比的 LM5085。

    希望这对您有所帮助、

    -奥兰多