为汽车电源选择正确的高输出电源的降压控制器的思考

为电池连接的汽车电源选择正确的降压转换器拓扑通常非常简单。对于高达 ~3.5A 的电流，同步降压转换器是最佳选择。具有集成 MOSFET 半桥的降压转换器需要更少的印刷电路板 (PCB) 空间、更少的外部组件和更低的物料清单成本。同步设计有利于提高效率和降低功耗，尤其是在较高电流下。

但是，如果我们需要高于 3.5A 的输出电流，则降压转换器不是最佳选择，因为会增加功率损耗并导致温度快速升高。集成 MOSFET 半桥与降压控制逻辑位于同一芯片上。与降压转换器中的小型集成 FET 相比，外部 MOSFET 更大并且具有更好的技术特性，例如非常低的导通电阻和栅极电荷。

更高输出电流的最佳选择是使用带有外部 MOSFET 半桥的降压控制器，以减少上一节中提到的损耗。选择与控制器分开的 MOSFET，以便我们可以根据电源的输出功率需求调整它们。功率耗散将广泛分布在 FET 和控制器上，这意味着每个器件的温度更低。借助降压控制器拓扑的灵活性，我们可以满足广泛的输出功率需求。

汽车信息娱乐系统等现代应用基于非常强大的处理器，例如德州仪器的Jacinto 7 。例如，英特尔 Apollo Lake 处理器的最大输出功率约为 40W 到 50W。连接在汽车电池上的电源（V IN = 3.5V 至 18V，绝对最大值 42V 和 V OUT = 3.3V）必须能够支持 8A 至 12A 之间的输出电流。大多数工程师会选择降压控制器来处理高输出功率要求。

与降压转换器相比，降压控制器的一个缺点是 MOSFET 半桥和外部组件之间的电流环路明显较大。更大的外部 FET 具有更低的损耗；封装的尺寸允许更好的热连接来散热，但与降压转换器中的集成半桥相比，它们要大几十年。较大的电流环路会引起寄生效应，从而导致电源开关节点上的振铃。

降压控制器拓扑的另一个缺点（尤其是在高输出电流方面）是分立 FET 是单独封装的，并且具有较大的寄生元件，例如漏极和源极上的串联电感器。图 1 显示了一个 MOSFET 半桥等效电路，在漏极和源极上有寄生电感。

图 1：具有寄生电感 L Drain和 L Source的 MOSFET 半桥

分立 FET 寄生电感 L Source和 L Drain对开关节点振铃影响最大，并决定振铃频率。当输出电流增加时，振铃会引起明显的辐射电磁干扰（EMI）。图 2 显示了同步降压控制器开关节点上升沿的振铃。图 3 是开关节点上升沿的放大图。振铃频率约为 215MHz，是分立封装 MOSFET 的典型值。

辐射 EMI，尤其是在 200MHz 左右的范围内，对于汽车信息娱乐系统中的敏感数字无线电调谐器（174MHz 至 230MHz）或电视调谐器等应用来说是不可接受的。

图 2： 同步降压控制器的开关节点。注意上升沿的振铃。基于双 N-FET BUK9K17-60E 的桥。

图 3： 同步降压控制器开关节点上升沿特写，测得振铃频率约为 215MHz

满足高输出功率要求的新型降压转换器拓扑

那么在对 EMI 敏感的大功率输出应用中应该使用什么样的电源概念呢？降压转换器无法处理输出功率，并且降压控制器会随着输出电流的增加而导致显着的辐射 EMI。

一种想法是使用可堆叠到多相系统的单个降压转换器。堆叠设备的数量取决于最大输出电流。寄生元件被减少到最低限度，并且功率耗散到多个设备中。这个概念非常灵活，允许我们根据输出电流扩展或缩小系统。缺点是多个器件需要较大的 PCB 空间。

要启用这种拓扑，我们将需要具有集成负载共享控制器、相位同步以及理想的移相功能的降压转换器，例如 TPS54020、LM20154 和 LP8754 器件系列。图 4 显示了这种电源概念。

图 4： 基于多相系统的高输出功率降压转换器

总之，我们可以确定带有外部 FET 的降压控制器并不是 EMI 敏感的汽车信息娱乐系统中大电流电源的唯一解决方案。在多相配置中使用高度集成的降压转换器克服了输出电流限制，并由于集成的 MOSFET 半桥提供了非常好的 EMI 行为。