ADI：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器占空比的重要性

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器使用占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓或電流反饋控制。占空比是指導(dǎo)通時(shí)間(TON) 與整個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)（關(guān)斷時(shí)間 (TOFF)加上導(dǎo)通時(shí)間）之比，定義了輸入電壓和輸出電壓之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。更準(zhǔn)確的計(jì)算可能還需要考慮其他因素，但在以下這些說(shuō)明中，這些并不是決定性因素。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的占空比由各自的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)錄Q定。降壓型（降壓）轉(zhuǎn)換器具有占空比D，D = 輸出電壓/輸入電壓，如圖1所示。對(duì)于升壓型（升壓）轉(zhuǎn)換器，占空比D = 1 –（輸入電壓/輸出電壓）。

圖1. 采用ADP2441的典型降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

這些關(guān)系僅適用于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。在這個(gè)模式下，電感電流在時(shí)間段T內(nèi)不會(huì)降至0。以額定負(fù)載工作的電路一般使用這種模式。在低負(fù)載下，或者間歇性工作時(shí)，線圈電流在關(guān)斷時(shí)間放電。這個(gè)模式稱之為斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。這兩種工作模式在特定輸入電壓和輸出電壓下，都有自己的占空比關(guān)系。

圖2所示為時(shí)域中的開(kāi)關(guān)行為示例。在這個(gè)示例中，我們考慮在非間歇工作模式下的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器；即，在連續(xù)導(dǎo)通模式下。占空比與開(kāi)關(guān)頻率無(wú)關(guān)。時(shí)段T一般在20 μs (50 kHz)和330 ns (3 MHz)之間。如果輸入電壓和輸出電壓的值相同，那么需要占空比 = 1。這意味著，只存在導(dǎo)通時(shí)間，不存在關(guān)斷時(shí)間。但是，并非每個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器都能實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)占空比，高壓側(cè)MOSFET必須持續(xù)導(dǎo)通。如果這個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為N通道MOSFET，其柵極電壓需要高于電路的輸入電壓，器件才能運(yùn)行。

如果每次導(dǎo)通之后都需要關(guān)斷一定時(shí)間（占空比<1時(shí)的情形），根據(jù)電荷泵原理，可以輕松生成比電源電壓高的電壓。但是，對(duì)于100%占空比，這不可能實(shí)現(xiàn)。所以，對(duì)于占空比為100%的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，要么采用不依賴開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器MOSFET、獨(dú)立運(yùn)行的精密電荷泵，要么將圖1所示的高壓側(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為P通道MOSFET。這些都會(huì)導(dǎo)致工作量和成本增加。

圖2. 降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)的時(shí)域表示（CCM模式下線圈電流）。

圖3所示為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 ADP2370，該穩(wěn)壓器通過(guò)將P通道MOSFET用作高壓側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)100%占空比。對(duì)于這種類型的降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓可以降低至非常接近輸出電壓。將P通道開(kāi)關(guān)集成到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中，可以避免產(chǎn)生額外成本。

圖3. 可實(shí)現(xiàn)100%占空比的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器示例。

如果應(yīng)用要求輸入電壓能夠降至非常接近輸出電壓設(shè)置點(diǎn)的水平，則應(yīng)選擇允許占空比 = 1或100%的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

占空比除了受開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涞母邏簜?cè)開(kāi)關(guān)決定的這種限制外，還受其他因素限制。我們將在稍后的電源管理技巧中為大家介紹。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任多種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。