半导体技术的发展使电子设备可以在3.3V、2.5V、1.8V甚至低于1V的电压下工作。与传统的降压转换器相比，同步降压转换器用MOSFET来代替续流二极管，因而能以更高效率提供大电流和低电压输出，同步降压转换器在待机期间的功率损耗可大大减少。尽管同步降压转换器具有很高的效率，但由于采用了两个MOSFET元件，所以控制难度增加，也更难以对元件进行优化。采用MOSFET代替续流二极管会影响转换器固有的断续电流模式(DCM)，并降低轻负载下的转换效率。本文将对这些问题进行讨论，并提出相关的解决方法。

由于在同步稳压器中采用两个MOSFET元件，所以必须小心地控制，以免出现电流过冲，导致电源通过两个MOSFET元件被短路接地。此类电流会引起很大的开关损耗，更糟糕是可能烧毁MOSFET元件或电源。为降低上述风险，一般会在开关之间插入适量的延时，即死区时间。此外，在转换率比较高的情况下，即输出电压和输入电压之间差别很大时，两个MOSFET的导通时间会有很大的差别，甚至可以相差10倍。例如，一个24V输入和18V输出的转换器要求占空比为7.5%，因此导通时间的比为0.075:0.925，两者大约相差12倍。基于这个原因，应该采用额定功率不相同的MOSFET来优化设计并降低元件成本。

但是，采用额定功率不同的MOSFET将增加采用分立部件构建同步稳压器的难度。市面上各类MOSFET的导通时间和截止时间各不相同。因此合理地确定死区时间以及相关的电路需要花费较多的时间。此外，由于可供选择的MOSFET有限，所以要找到一个具有合适额定功率的MOSFET来优化设计并非易事。

在同步降压转换器中采用MOSFET代替续流二极管，不仅可降低导通损耗，还允许电感器的电流双向流动。因此，即使输出电流很小(轻负载)，同步降压转换器都可以维持连续电流模式(CCM），而无需被迫工作于DCM。图1给出了是降压转换器和同步降压转换器在大输出电流和小输出电流情况下的电感器电流波形图。两种转换器在大输出电流下都能保持CCM。但在轻负载下，降压转换器被迫进入DCM，因为它采用的二极管阻隔了电感器所有的反向电流。同步降压转换器的MOSFET可让负向电流通过，因此仍能保持CCM。

图1：降压转换器(a)和同步降压转换器(b)在大输出电流和小输出电流情况下的电感器电流波形图。

如果待机效率非常重要，那么同步转换器在低负载状态下便不宜工作于CCM，因为MOSFET在大部分时间内都会产生导通损耗，这将导致总功率损耗变得很大。对于DCM，当电感器电流等于零时，无论是采用MOSFET或是续流二极管，都不会出现导通损耗。此外，零电流开关特性也有助于降低开关损耗。因此，尽管同步降压转换器在大输出电流况下的效率很高，但低输出功率情况下的效率却很低。这一点对要求低待机功耗的应用特别重要。

为解决上述问题，可以增加一个控制电路对MOSFET的电流进行检测。一旦发现电流为零便关闭MOSFET，以阻止反向电感电流通过。此时，MOSFET的功能就像一个二极管，使同步转换器在低负载时工作在DCM，并同时保持低的电压降。这个电路不会影响同步转换器在高输出电流条件下的性能，却明显改进了同步转换器在低输出功率下的效率。

同步降压转换器的最有效的实现方式就是单芯片解决方案。单芯片方案可以优化MOSFET尺寸，使其达到最佳效果。由于MOSFET被集成在芯片内，所以能够采用专用设计来优化死区时间和驱动电路。此外，集成的MOSFET使得检测MOSFET的电流变得更加容易。若要执行DCM运行方式，可以在适当的时间关闭MOSFET。

美国国家半导体公司的PowerWise系列产品LM310x(包括LM3100、LM3102和LM3103)都具有上述技术优势。这些产品内置了MOSFET，且都是高性能同步降压转换器。特别值得一提的是这些产品的零线圈电流探测电路支持DCM运行方式。图2为LM3102的典型应用原理图。

图2：LM3102的典型应用原理图，电路输出电压为3.3V。

图3给出了在输出电压为1.8V的条件下，LM3102和降压转换器(非同步)的效率曲线。由此可见，在相同的输入电压下，LM3102的效率一般比降压转换器高10~15％，这是因为降压转换器中的续流二极管消耗了很多功耗。LM3102采用的是MOSFET元件，功率损耗得以大大改善，在输出电压低的情况下也能达到很高效率。

图3：LM3102和非同步(降压)转换器的效率对比。

图4对传统的同步降压转换器与LM3100的效率进行了对比，其中输入电压及输出电压分别为12V及1V。在高输出电流情况下，两种转换器的效率都超过70%。但在负载较小的情况下，传统同步转换器采用CCM运行方式，效率明显降低。不过，LM3102也可以进入DCM运行，因此它在低输出电流下也具有很高的效率。对于那些在待机状态下仍要求高效率的应用而言，LM3102具有突出优势。

图4：LM3100与传统同步转换器的效率对比。