干货 | 占空比的上限

作者:Frederik Dostal,ADI 现场应用工程师

开关稳压器使用占空比来实现电压或电流反馈控制。占空比是指导通时间(TON)与整个周期时长(关断时间(TOFF)加上导通时间)之比,定义了输入电压和输出电压之间的简单关系。更准确的计算可能还需要考虑其他因素,但在以下这些说明中,这些并不是决定性因素。开关稳压器的占空比由各自的开关稳压器拓扑决定。降压型(降压)转换器具有占空比D,D = 输出电压/输入电压,如图1所示。对于升压型(升压)转换器,占空比D = 1 –(输入电压/输出电压)。

这些关系适用于连续导通模式(CCM)。在这个模式下,电感电流在时间段T内不会降至0。以额定负载工作的电路一般使用这种模式。在低负载下,或者间歇性工作时,线圈电流在关断时间放电。这个模式称之为断续导通模式(DCM)。这两种工作模式在特定输入电压和输出电压下,都有自己的占空比关系。

图1.采用ADP2441的典型降压型开关稳压器

图1.采用ADP2441的典型降压型开关稳压器

2所示为时域中的开关行为示例。在这个示例中我们考虑在非间歇工作模式下的降压型开关稳压器在连续导通模式下。占空比与开关频率无关。时段T一般在20 µs (50 kHz)和330 ns (3 MHz)之间。如果输入电压和输出电压的值相同,那么需要占空比 = 1。这意味着,只存在导通时间,不存在关断时间。但是,并非每个开关稳压器都能实现。如图1所示,为了实现这个占空比,高压侧MOSFET必须持续导通。如果这个开关设计为N通道MOSFET,其栅极电压需要高于电路的输入电压,器件才能运行。如果每次导通之后都需要关断一定时间(占空比<1时的情形),根据电荷泵原理,可以轻松生成比电源电压高的电压。但是,对于100%占空比,这不可能实现。所以,对于占空比为100%的开关稳压器,要么采用不依赖开关稳压器MOSFET、独立运行的精密电荷泵,要么将图1所示的高压侧开关设计为P通道MOSFET。这些都会导致工作量和成本增加。

图2.降压型开关稳压器开关的时域表示(CCM模式下线圈电流)

图2.降压型开关稳压器开关的时域表示(CCM模式下线圈电流)

图3所示为ADI公司的开关稳压器ADP2370,该稳压器通过将P通道MOSFET用作高压侧开关来实现100%占空比。对于这种类型的降压转换器,输入电压可以降低至非常接近输出电压。将P通道开关集成到开关稳压器中,可以避免产生额外成本。

图3.可实现100%占空比的开关稳压器示例

图3.可实现100%占空比的开关稳压器示例

如果应用要求输入电压能够降至非常接近输出电压设置点的水平,则应选择允许占空比 = 1或100%的开关稳压器。

占空比除了受开关稳压器拓扑的高压侧开关决定的这种限制外,还受其他因素限制。我们将在稍后的电源管理技巧中为大家介绍。

作者简介

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业。他于2001年开始工作涉足电源管理业务曾担任多种应用工程师职位并在亚利桑那州凤凰城工作了4负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司担任电源管理现场应用工程师。联系方式:frederik.dostal@analog.com

最新文章