引言
DC-DC降压转换器已在工业领域得到了广泛应用，其中最常用到的拓扑便是降压转换器。开云棋牌官网在线客服技术的发展使得现今的电子设备能在越来越低的3.3V、2.5V、1.8V甚至低至1V电压下工作。。传统采用一个二极管的降压转换器的转换效率很低，尤其是在较低的输出电压下，原因是由于二极管通常会消耗不少的功率，其典型正向电压降为0.35V~0.5V，从而造成了较大比例的功率损耗。同步降压转换器采用MOSFET来代替二极管，该解决方案具有高效率、高输出电流和低输出电压等优势。MOSFET中的电压降与其接通电阻和电流成比例，其典型值为0.1V~0.3V。因此，功率损耗便可大大下降，从而达到很高的转换效率。另一方面，许多应用要求的输入电压范围很大。例如汽车应用中要求的输入电压范围比较大，而汽车电池的电压一般为 12V或24V，在尖峰情况下可能会达到40V。由于输入电压很高而输出电压很低(或者是输出电流很高)，因此需要使用大降压比的转换器。
具有大降压比和低输出电压特性的功率转换器一般采用两级转换。第一级转换是将高输入电压转换为中间电压，第二级转换则将中间电压转换为需要的低输出电压。采用两级转换的原因很多。首先，大降压比则意味着需要低占空比。例如，一个24V输入及1.2V输出的转换器，其要求的占空比为 0.05，这对效率和性能而言都非常不利。甚至对于一般的降压转换器而言，这个很低的占空比是无法达到。第二，支持输出电压低于1.2V的设备一般其输入电压不会大于10V到15V。但是，根据之前所述，在汽车等一些设备中，甚至会出现高达40V的高输入电压。可是，对于能接受20V以上输入电压的设备，其输出电压往往都高于1.2V。因此，对于高输入低输出的电压应用来说，采用两级转换是非常合理。
两级转换的不良效率
效率是两级转换器所需要关注的一个主要问题。尽管对个别级的转换而言，均可以达到较高的效率，但是整体效率却可能很低。因为整体效率是各转换级效率之乘积。比如，图1所示为一个可将12V或24V的输入电压转换为5V输出电压的降压转换器的效率曲线。此外，图中同样给出了一个将5V 输入电压转换为1.2V输出电压的转换器效率。两个转换器同样在550kHz的频率下运作，并在半负荷下得出约80%的效率。可是，使用在两级转换中的这两个降压转换器的整体效率仅在60%~70%左右，如图2所示。
图1 单级的效率曲线
图2 两级转换的整体效率
除了效率之外，与单级转换相比(稍后会作介绍)，两级转换要求使用更多的元件并占用更多的板面积。所需的集成电路、电感器和降压电容器数量约为单级转换的两倍。此外，由于需要使用两个电感器，因此需要在两个转换器之间进行精确的同步以降低干扰。因此，两级转换的设计时间较长，而且包括板尺寸、元件成本、生产时间和调试等在内的整体成本也较高。
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图3 LM3103的效率曲线
同步稳压器的设计
与两级转换相比，宽输入范围和低反馈电压的同步降压转换器具有更高的效率、更小的尺寸和更经济的成本。例如LM3103，它是 LM310x系列产品中的一款，属于美国国家开云棋牌官网在线客服的PowerWise产品系列。LM3103的输入电压可高达42V，输出电压可低至0.6V。因此，对于要求高降压比的应用来说，LM3103无疑是最佳的解决方案。为了进一步减少元件数量， LM3103还把MOSFET嵌入到内部，并采用一种恒定导通时间控制方法，省略了补偿电路。因此，转换器的设计就简化为对一些元件进行简单调节。下文将详述如何对元件进行调节。
图4所示为一个1.2V输出电压的LM3103原理图。图中的电容 CIN 和 COUT 为降压电容器， CIN3、COUT3则分别用来过滤高频噪声。至于CSS 和CBST 则用于软启动和自举功能， CVCC 和CFB则分别用作内部调节器和帮助反馈输出纹波。设计所需的其他元件如下：
- 用于输出电压的RFB1 和RFB2;
- 用于工作频率的RON;
- 与电感器电流纹波相关的L。
图4 1.2V输出的LM3103原理图
输出电压
由于LM3103的内部参考电压等于0.6V，输出电压VOUT和由RFB1 和 RFB2组成的分阻器之关系如下：
因为VOUT = 1.2V，我们可选择RFB2 = 10kΩ，那么RFB1可通过下式进行计算：
工作频率
电阻器RON 用于决定转换器的导通时间，而该导通时间是与工作频率fSW成直接关系，并在LM3103中被编程成高至1MHz 。一旦fSW被确定，那RON便可通过下列算式计算出来：
在图4中， fSW 设定为550kHz，因此计算出的RON等于26.3kΩ。
电感器电流纹波
LM3103需要约0.3A的电感器电流纹波。电感器的电流纹波与输入电压、输出电压以及工作频率有密切的关系。L的计算公式如下：
在设计中把VIN定为 12V，则计算出来的L便等于6.55μH。
元件的选择应基于以上计算和图4中所示的实际数值。LM3103应用电路的效率曲线已在图3中展示出来。对比图2与图3，便会发现 LM3103的单级转换效率比起两级转换的整体效率高出了5到10%。表1对LM3103和两级转换进行了比较。从表中可以看出，在效率、元件数量和方案尺寸方面，LM3103都比两级转换有优势。
表1 LM3103与两级转换的对比
