DC/DC轉換器的結構與控制方式

DC/DC對電子設備的供電不可或缺，但雖統稱為“DC/DC”，其驅動器配置和控制方式等也因產品而異。本文將對DC/DC的驅動器配置與控制方式及其差異如何影響特性等進行解說。

１. DC/DC轉換器和DC/DC控制器的基本差異

DC/DC轉換器和DC/DC控制器的差別在於是否內建功率MOSFET（驅動電晶體）。
此差異會顯著影響各類IC的特性、安裝難易度及最終成本。

DC/DC轉換器（內建FET型）

DC/DC轉換器通常指已將功率MOSFET內建在IC內部的型式。
即便是DC/DC轉換器，既有如同步整流方式般將兩個功率MOSFET都已內建的產品，也有如非同步整流方式般僅已內建其中一個功率MOSFET的產品。

DC/DC控制器（外接FET型）

DC/DC控制器是一種不內建功率MOSFET、外接連接型DC/DC。透過選擇外接MOSFET，可應對大電流和高效率，但安裝面積和元件數量會增加。此外，需要選擇週邊元件，因此需要具備相應的元件選型知識，與DC/DC轉換器相比，其設計難易度往往變得更難。

	DC/DC轉換器（內建FET）	DC/DC控制器（外部FET）
功率MOSFET	內建	外接
安裝面積	小	較大
元件數量	少	多
最大輸出電流	適合小～中電流	適合大電流
設計難度	較容易	複雜（FET選型、佈局等）
設計自由度	較低	較高
EMI對策	較容易	複雜（依賴佈局）

２. 驅動器配置和對特性的影響

DC/DC的驅動器配置會顯著影響效率和元件數量。

2.1 非同步整流方式

組合Pch FET與SBD（肖特基勢壘二極體）。存在因SBD正向壓降引起的損耗，因此效率低。但具有可簡化DC/DC轉換器內部控制電路的優點。SBD需外置，因此與同步整流方式相比，元件數量會增加。

2.2 同步整流方式

這是同步使用MOSFET來取代續流二極體（SBD）的方式。因無二極體VF損耗，所以即使在高輸出電流時或低輸出電壓時也能達到高效率。如果為降壓型DC/DC轉換器，則將Pch FET用於高側（High Side）驅動器FET，而將Nch FET用於低側（Low Side）驅動器FET。

2.3 自舉方式

這種方式屬於同步整流方式，其高側（High Side）與低側（Low Side）兩側驅動器均採用Nch FET。
在高側（High Side）採用Nch FET，因此與同步整流方式相比，具有可縮小驅動器尺寸的優點。由此，不僅能在相同尺寸下實現更低的導通電阻，還能在性能相當的情況下，實現更小型化、低成本化。

但是，為了驅動高側（High Side）Nch FET閘極，需要高於VIN電壓的電壓，因此需要使用自舉電容。

驅動器配置	主開關	續流元件	特性	特性	元件數量
非同步整流方式	Pch FET	SBD	控制電路簡單	中	普通
同步整流方式	Pch FET	Nch FET	高效率、支援大電流、需要複雜控制	高	少
自舉方式	Nch FET	Nch FET	高效率、支援大電流、需要複雜控制	非常高	普通

控制方式

3.1 控制方式 (PWM or PFM)

關於DC/DC的控制方式，作為控制開關週期、導通時間的控制方式，存在PWM控制、PFM控制及PWM/PFM自動切換控制。這種控制方式的差異會顯著影響輕載效率、雜訊特性及輸出漣波電壓。

工作模式	開關頻率	導通時間寬度	輕載效率	輸出漣波	雜訊頻譜
PWM控制	固定	可調	低	小	特定頻率
PFM控制	可調	固定	高	大	隨負載變化而波動
PFM/PWM自動切換	根據負載自動切換	可調	高	輕載:大, 重載:小	輕載:波動, 重載:特定頻率

3.2 相位控制方式 (電壓/電流/COT控制)

這是一種將何種資訊回饋到IC內部，以獲得穩定輸出電壓的相位控制方式。
主要有以下三種控制方式。

• 電壓控制: 直接回饋輸出電壓。控制迴路雖簡單，但瞬態響應特性可能較差。
• 電流控制: 除輸出電壓之外，也會回授線圈電流。與電壓控制相比，針對負載變化和輸入電壓波動，可實現更快速、更穩定的反應。
• COT控制: 這是一種輸出電壓下降時，產生固定導通時間的方式。對負載變化的反應速度極快，補償電路簡單。

控制方式	回授物件	瞬態響應特性
電壓控制	輸出電壓	中
電流控制	輸出電壓 + 電感電流	高速
COT控制	輸出電壓（漣波）	非常快速