占空比的上限

開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓器的占空比由各自的開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲決定。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。對于升壓型（升壓）轉(zhuǎn)換器，占空比D = 1 –（輸入電壓/輸出電壓）。

這些關(guān)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(guān)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(guān)系。

圖1 采用 ADP2441 的典型降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

圖2所示為時域中的開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器；即，在連續(xù)導通模式下。占空比與開關(guān)頻率無關(guān)。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(guān)斷時間。但是，并非每個開關(guān)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(cè)MOSFET必須持續(xù)導通。如果這個開關(guān)設(shè)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(guān)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(guān)穩(wěn)壓器，要么采用不依賴開關(guān)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(cè)開關(guān)設(shè)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(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)的時域表示（CCM模式下線圈電流）

圖3所示為ADI公司的開關(guān)穩(wěn)壓器 ADP2370 ，該穩(wěn)壓器通過將P通道MOSFET用作高壓側(cè)開關(guān)來實現(xiàn)100%占空比。對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通道開關(guān)集成到開關(guān)穩(wěn)壓器中，可以避免產(chǎn)生額外成本。

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)置點的水平，則應(yīng)選擇允許占空比 = 1或100%的開關(guān)穩(wěn)壓器。

占空比除了受開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲的高壓側(cè)開關(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。

圖3 可實現(xiàn)100%占空比的開關(guān)穩(wěn)壓器示例

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(wù)，曾擔任多種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開關(guān)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(yīng)用工程師。