异步Buck升级为同步Buck注意点总结

最新更新时间：2020-04-16

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开关电源是通过控制开关管开通和关断来维持稳定输出电压的电源。随着电力电子技术的发展，开关电源也不断向集成化，小型化，高效率，高功率密度的方向发展。在这个过程中，降压转换器（Buck Converter）从原来的异步整流向同步整流切换，从而提升系统效率。本文对同步Buck和异步Buck进行了介绍，分析两种方案的优缺点，同时结合应用实例给出了同步Buck替换异步Buck中的注意事项。

1 介绍

随着时代的发展，工业，车载，通信，消费类等产品都提出了小型化，智能化的需求。相应的，对于这些系统中的电源模块提出了小型化的要求。目前，市场上依然存在很多异步Buck电源管理芯片使用的场景，针对这些应用，采用同步Buck电源管理芯片进行升级，可以增加集成度，提升电源效率。然而在升级替换的过程中，需要注意PCB的布局。如果需要不更改PCB布局直接升级替换，需要在元器件选择上有所注意。本文首先对同步Buck，异步Buck进行介绍，给出同步Buck的PCB布局注意事项，然后结合实例给出替换中可以采取的保证电源正常工作的方法，供工程师参考。

2 同步Buck和异步Buck

图 1 异步Buck变换器

图 2 同步Buck变换器

如图 1 和图 2 所示，异步Buck变换器采用肖特基二极管作为续流管，而同步Buck变换器用MOSFET替代肖特基二极管进行续流，由于MOSFET的导通电阻很低，所以导通损耗较低，而肖特基二极管的损耗为其正向导通压降乘以电流，损耗较大。

表格 1 同步Buck和异步Buck优缺点对比

	同步 Buck	异步 Buck
优点	效率高， MOS 管导通电阻一般为毫欧级别，以 SCT2432 为例 [ 1 ] ，同步整流管导通电阻为 50 毫欧，流过 4A 电流时其压降为 0.2V ，小于二极管压降	价格便宜，同等条件下，肖特基二极管比 MOSFET 便宜
缺点	1. 成本高， MOS 管成本高于肖特基二极管，同时驱动电路也需要成本 2. 控制复杂，需要额外的控制电路保证上下管同步工作	效率低，二极管正向导通压降固定，锗管一般为 0.2~0.3V ，硅管一般为 0.7V 。当流经二极管的电流较大时，二极管损耗占比大
适用场景	对效率要求高的应用	输出电压比较高的场景，此时二极管压降占整体电压的比例较小

上面提到的同步Buck的控制复杂，需要额外的驱动电路和控制电路保证电路正常工作，如果死区时间处理不当，有可能上下管直通，造成MOS管损坏。这是指电源控制器外接同步整流MOSFET的情况，对于内部集成了控制器，上下管的电源管理芯片，由于MOSFET的特性已知，控制和MOSFET集成，可以很好的解决上面提到的控制问题，不需要过多担心。以SCT2432为例，同步整流MOSFET集成在芯片内部，方便控制，稳定可靠同时节省PCB面积。

图 3 SCT2432典型应用原理图

3 同步Buck PCB布局注意事项

图 4 异步Buck变换器工作

图 5 同步Buck变换器工作

如图 4和图 5 所示，在功率管关断期间，异步Buck通过外置的二极管进行续流，在这个阶段，芯片内部的地受到的干扰较小；而对于同步Buck，在这个阶段，续流电流流经芯片内部的地，芯片内部地受到的干扰大。异步Buck对于续流二极管的开通不需要控制，而同步Buck需要对同步整流MOSFET进行控制，如果地电平不稳定，会影响内部控制电路工作。同时，Buck电路在开关切换时，大的di/dt在PCB的寄生电感上会产生压降，形成谐振，而MOSFET的体二极管的反向恢复特性较差，不能像肖特基二极管那样快速恢复。因此，对于同步Buck的布局，地的设置需要区分模拟地和功率地，两个地实现单点连接。

图 6 是SCT2432的EVM布局示例，可以看到，功率器件输入电容，输出电容，和对于异步Buck而言的续流二极管的地共用一块铜皮，这是功率地；模拟配置的外围器件反馈分压电阻，缓起电容等处于同一个地，这是模拟地。两个地只在芯片的GND管脚处单点连接。这样可以有效防止功率地上的变化干扰到模拟电路工作，大大提升了系统稳定性。

图 6同步Buck变换器工作

此外，由于同步Buck电源管理芯片将同步MOSFET集成到芯片内部，热更加集中，需要对散热合理规划。首先，将芯片放置在离热源较远的位置；其次，在顶层的地需要足够大，保证散热效果，地层放置地平面，芯片的散热焊盘下面打过孔阵列，保证对地平面的阻抗足够低，推荐采用直径为8mil的过孔。为了保证顶层的地面积足够大，Boot电容的走线可以放置在非顶层。

输出电感放置在离SW管脚近的位置，同时保证两者之间的连接线短而粗。输入的滤波电容放置在离VIN管脚和GND最近的位置，最大化减少寄生参数的影响。

4 同步Buck直接替换异步Buck工作异常解决方法

在同步Buck替换异步Buck时，存在不改PCB，直接P2P替换的情况。此时，如果PCB布局不合理，是存在替换完无法稳定正常工作的情形的。对于这样的情况，我们可以采取以下几种措施进行尝试，有机会不改PCB也能实现电源正常工作。

图 7不合理布局示例

图 7是一个不合理布局示例，可以看到输入和输出电容分别位于散热焊盘的两边，反馈的地和功率地直接相连，功率地和模拟地没有分离。图 8是在这种布局情况下满负载工作的波形，可以看到输出电压是稳定的，但是SW点的开关波形是不稳定的，电路处于次稳态。

图 8 24VIN，5VOUT，3.5A输出电流波形

4.1 反馈下分压电阻并联 1nF 电容

在反馈下分压电阻旁并联1nF对地电容可以提升抗干扰能力，图 9是增加电容后的工作波形，可以发现SW的波形不再存在大小波的情况，工作频率稳定。

图 9增加1nF对地电容后24VIN，5VOUT，3.5A输出电流波形

4.2 减小反馈分压电阻

如果原有的PCB布局时没有预留下分压电容位置，可以适当减小反馈分压电阻阻值，牺牲部分效率，增加反馈电流，增加反馈网络抗干扰能力，对于稳定系统也有帮助。图 10是分压电阻改为原来的十分之一后的工作波形，表明系统进入稳态。推荐的下分压电阻最小值不要小于1kΩ，否则增加的固定损耗过大，影响电源整体效率。

图 10将反馈分压电阻从53.6k/10.2k减小为5.36k/1.02k后工作波形

5 总结

本文介绍了同步Buck和异步Buck的结构，对两者的优缺点进行了对比，同步Buck对于提升效率，提升产品效能有较大的作用。同时针对同步Buck替换异步Buck的趋势，详细介绍了PCB布局时的注意事项，最重要的是进行模拟地和功率地的区分，采用单点接地模式。对于不合理PCB布局直接升级替换的情况，给出了增加下分压电阻并联1nF电容和减小分压电阻阻值的方法进行调整，有助于工程师减小工作量，快速实现非同步方案转同步方案。

6 参考

1）SCT2432数据手册

http://www.silicontent.com/information36.html

SCT芯洲科技

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