图 1. 非同步 BUCK 转换器拓扑结构
图 1 显示了异步 BUCK 转换器的拓扑结构。异步 BUCK 转换器芯片通常只在内部集成高侧 MOSFET。当高侧 MOSFET 关闭时,需要在 SW 引脚和 GND 之间安装一个续流二极管,作为功率电感的续流路径。
续流二极管的选择必须至少满足以下两个硬性标准(1)(2)和两个优化标准(3)(4):
(1)续流二极管的反向工作电压 VRRM 必须等于或大于最大输入电压 VIN(max)。
(2) 续流二极管的正向电流 IF(AV) 不得小于 Iout(max)*(1-D),其中 D 为降压转换器的占空比,Iout(max) 为降压转换器可承受的最大负载电流。为了更严格地选择续流二极管的过流能力,可以将其选择为大于或等于电感器上的峰值电流 IOUT+(ΔIL)/2。
(3)正向压降VF越小,由该参数引起的功率损耗越小,功率效率越高。(4)从导通状态到关断状态的开关速度越快(反向恢复时间trr越短),反向恢复损耗越小,功率效率越高,越好。
肖特基势垒二极管 (SBD) 是续流二极管的理想选择,因为它们的正向压降小,反向恢复时间快(通常为几十纳秒甚至几纳秒),从而降低了续流二极管的功率损耗。
为了设计一个直流输入电压范围为9-36V、典型输入电压为12V、输出电压为5V、最大负载能力为5A的降压DC-DC转换器,选用反向工作电压为40V、正向电流大于5A的肖特基二极管,因为其最大输入电压为36V。如图2所示,SS54肖特基二极管的反向工作电压为40V,平均整流电流为5A,在正向电流为5.0A时的最大正向压降为0.55V,满足电路要求。
图 2 SS54 肖特基二极管的电学参数
当输入电压为典型值 12V 时,占空比为典型值 5/12,流过续流二极管的平均电流为 5.0A*(1-5/12)=2.917A。当输入电压为最大值 36V 时,占空比为最小值 5/36,流过续流二极管的最大平均电流为 5.0A*(1-5/36)=4.3A。如图 3 所示,TPS54360DDAR 电路设计示例中选用的续流二极管为 D3 (SS54)。
图 3. TPS54360DDAR 电路设计示例