開關穩(wěn)壓器使用占空比來實現(xiàn)電壓或電流反饋控制。占空比是指導通時間(TON)與整個周期時長(關斷時間(TOFF)加上導通時間)之比,定義了輸入電壓和輸出電壓之間的簡單關系。更準確的計算可能還需要考慮其他因素,但在以下這些說明中,這些并不是決定性因素。開關穩(wěn)壓器的占空比由各自的開關穩(wěn)壓器拓撲決定。降壓型(降壓)轉換器具有占空比D,D = 輸出電壓/輸入電壓,如圖1所示。對于升壓型(升壓)轉換器,占空比D = 1 –(輸入電壓/輸出電壓)。
這些關系僅適用于連續(xù)導通模式(CCM)。在這個模式下,電感電流在時間段T內(nèi)不會降至0。以額定負載工作的電路一般使用這種模式。在低負載下,或者間歇性工作時,線圈電流在關斷時間放電。這個模式稱之為斷續(xù)導通模式(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系。
圖1.采用ADP2441的典型降壓型開關穩(wěn)壓器
圖2所示為時域中的開關行為示例。在這個示例中,我們考慮在非間歇工作模式下的降壓型開關穩(wěn)壓器;即,在連續(xù)導通模式下。占空比與開關頻率無關。時段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,只存在導通時間,不存在關斷時間。但是,并非每個開關穩(wěn)壓器都能實現(xiàn)。如圖1所示,為了實現(xiàn)這個占空比,高壓側MOSFET必須持續(xù)導通。如果這個開關設計為N通道MOSFET,其柵極電壓需要高于電路的輸入電壓,器件才能運行。如果每次導通之后都需要關斷一定時間(占空比<1時的情形),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,對于100%占空比,這不可能實現(xiàn)。所以,對于占空比為100%的開關穩(wěn)壓器,要么采用不依賴開關穩(wěn)壓器MOSFET、獨立運行的精密電荷泵,要么將圖1所示的高壓側開關設計為P通道MOSFET。這些都會導致工作量和成本增加。
圖2.降壓型開關穩(wěn)壓器開關的時域表示(CCM模式下線圈電流)
圖3所示為ADI公司的開關穩(wěn)壓器ADP2370,該穩(wěn)壓器通過將P通道MOSFET用作高壓側開關來實現(xiàn)100%占空比。對于這種類型的降壓轉換器,輸入電壓可以降低至非常接近輸出電壓。將P通道開關集成到開關穩(wěn)壓器中,可以避免產(chǎn)生額外成本。
圖3.可實現(xiàn)100%占空比的開關穩(wěn)壓器示例
如果應用要求輸入電壓能夠降至非常接近輸出電壓設置點的水平,則應選擇允許占空比 = 1或100%的開關穩(wěn)壓器。
占空比除了受開關穩(wěn)壓器拓撲的高壓側開關決定的這種限制外,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。
作者簡介
Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)。他于2001年開始工作,涉足電源管理業(yè)務,曾擔任多種應用工程師職位,并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年,負責開關模式電源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現(xiàn)場應用工程師。