如果你問一個典型的手機用戶哪個更重要，一次充電能夠連續通話更長時間，或者在待機幾天后剩余一定百分比的電池電量來快速通話，我懷疑兩者都會被認為是重要的。畢竟，效率是現代節能電源設計的口號，但輕負載或待機條件下的效率變化會影響便攜式設備的電池充電可用性，對用戶同樣重要。

在這兩種情況下，為電子設備供電的 DC-DC 轉換器不會耗盡便攜式設備中的電池，這可能會產生重大影響。一個簡單的設計可能在滿載時具有良好的95%或更高的標題轉換效率，但待機損耗可能會有很大差異，直接影響您的手機在幾天不充電后進行緊急呼叫的可用性。在DC-DC中，在輕負載下，損耗往往是固定值，與實際負載功率無關，通常來自“內務管理”功能或功率MOSFET柵極的充電和放電，與它們是否通過漏極電流無關。這些條件下的效率應該盡可能高，但實際數字沒有那么有意義;如果您的待機負載為1mW，固定轉換損耗為1mW，您可能會很高興，即使效率僅為50%。

不過，固定損失的絕對值很重要;在系統層面，如果將其減半至0.5mW，手機中的通話時間可能僅改善幾秒鐘，但可能會使以天為單位的待機可用時間增加一倍。降低空載和待機損耗的努力當然是值得的。

同步是必經之路

當然，便攜式設備中的“降壓”轉換器通常需要使用“同步整流”的最佳技術來實現高效率。降壓轉換器由一個串聯開關SW1組成，SW<>將電流脈沖傳遞到電感器，第二個開關允許連續電流在串聯開關關閉時流向輸出。脈寬調制以及電感和后續電容器的平均效應可降壓并調節輸出電壓。

圖1.降壓轉換器外形

用于第二個開關SW2的“飛輪”二極管是一種簡單的解決方案，通過“換向”在正確的時間自動導通，當串聯開關關閉時，電感中存儲的能量的作用導致二極管的正向偏置。但是，二極管具有顯著的正向壓降，在部分開關周期內與負載串聯。如果負載電壓較低，該二極管壓降在總壓降中占很大比例，導致效率低下。在高輸入電壓下，當二極管在開關周期中的導通時間較長時，效果更差。即使是肖特基二極管也很難在較高電流下提供體面的效率水平，因為其壓降增加到與標準快速恢復類型相似的水平。

用受控開關代替二極管，稱為“同步整流”，只要開關接近理想且壓降很小，始終是最佳解決方案。早期電路使用擊敗二極管的雙極晶體管，但需要復雜的、耗電的電流驅動電路來抵消所獲得的優勢，特別是在輕負載下。

進入MOSFET作為開關，它需要的驅動功率要少得多。高 Rds（on） 數字最初意味著，在較高電流下，它們的壓降與二極管相當，但隨著技術發展到亞毫歐級器件，它們已經獨樹一幟（圖 2）。

圖2.場效應管同步整流器

現在很容易實現高負載下的高效率，但那些站立損耗仍然需要注意。例如，現代降壓控制器的工作頻率可能為 3MHz，但對于總柵極電荷僅為 15nC 的器件，只需以這種速度在 1 至 <> V 之間切換 MOSFET 柵極，就會耗散 <>mW。功率不被柵極本身消耗，它耗散在驅動器和串聯柵極電阻中，并且與脈沖占空比無關。鑒于轉換器中至少有兩個開關，問題很明顯。

PFM 或“脈沖跳躍”有助于減少待機損耗

在輕負載下，降壓轉換器無需在高頻下工作;所需的能量可以通過低重復率的短脈沖提供。通過強制這樣做，可以顯著降低固定開關損耗 - 功耗與開關事件數或每秒柵極充電/放電周期成正比。控制器有效地進入“恒定導通時間，可變關斷時間”模式。在最輕的負載下，關斷時間可能很長，因此實際上在一段時間內禁用某些控制器內部電路是可行的，因為它無關緊要，從而節省更多功率。

在輕負載時禁用同步整流

同步整流具有雙向導通的優點，可在任何負載下提供連續電感電流（CCM），這有助于環路補償設計。不過，故意禁止同步MOSFET在輕負載下傳導反向電流，迫使轉換器進入非連續導通模式（DCM），這可能是一個優勢。如果能夠保持環路穩定性，則凈損耗可以更低，因為MOSFET在開關周期的較小部分導通。如果轉換器處于脈沖跳躍模式，增益會更靜止。圖 3 顯示了您將看到的波形。

圖3.不同的降壓轉換器開關模式

Maxim MAX17501控制器是集成這些特性的器件的一個很好的例子。該器件可提供 500mA 負載電流，峰值效率優于 90%，輸入電壓高達 60V，固定輸出為 3.3V 或 5V。脈沖頻率模式的電流小于約60mA，零負載時，開關電流在100°C時降至20μA以下。 相比之下，如果可選擇在空載時強制固定頻率PWM，則電流消耗將接近5mA。在某些應用中，您可能希望忍受這種情況，以保持開關頻率恒定和噪聲水平更可預測。

審核編輯：郭婷