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Upper End Limitations of a Duty Cycle 作者：Frederik Dostal，ADI 現場應用工程師 開關穩壓器使用占空比來實現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。開關穩壓器的占空比由各自的開關穩壓器拓撲決定。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導通模式(CCM)。在這個模式下，電感電流在時間段T內不會降至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壓器；即，在連續導通模式下。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，并非每個開關穩壓器都能實現。如圖1所示，為了實現這個占空比，高壓側MOSFET必須持續導通。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。所以，對于占空比為100%的開關穩壓器，要么采用不依賴開關穩壓器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公司的開關穩壓器ADP2370，該穩壓器通過將P通道MOSFET用作高壓側開關來實現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壓器中，可以避免產生額外成本。
圖3.可實現100%占空比的開關穩壓器示例 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%的開關穩壓器。 占空比除了受開關穩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。他于2001年開始工作，涉足電源管理業務，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場應用工程師。聯系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
