開關穩壓器使用占空比來實現電壓或電流反饋控制。占空比是導通時間(T上) 到整個周期長度,關斷時間 (T關閉)加上導通時間,并定義了輸入電壓和輸出電壓之間的簡單關系。為了更精確的計算,可以考慮其他因素,但在以下解釋中,它們不是決定性的。開關穩壓器的占空比取決于相應的開關穩壓器拓撲。如圖1所示,降壓轉換器的占空比D根據D =輸出電壓/輸入電壓。對于升壓轉換器,占空比D = 1 – (輸入電壓/輸出電壓)。
圖1.采用ADP2441的典型降壓型開關穩壓器。
這些關系適用于連續導通模式 (CCM)。在這里,電感電流在一段時間內不會下降到0,T。這種模式經常出現在額定負載下運行的電路中。在較低負載或有意間歇操作時,線圈電流在關斷時間內放電。此模式稱為不連續導通模式 (DCM)。對于特定輸入電壓和輸出電壓,這兩種工作模式各自的占空比都有自己的關系。
圖2顯示了時域中的開關行為示例。這里我們考慮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。周期T通常介于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,則需要占空比為1。這意味著只有開機時間,沒有關機時間。然而,并非每個開關穩壓器都能做到這一點。在圖1中,為此,高端MOSFET必須持續導通。如果該開關設計為N溝道MOSFET,則柵極處需要比電路輸入電壓更高的電壓才能工作。如果每次導通時間后都有一定的關斷時間,例如占空比為< 1,則根據電荷泵原理,可以很容易地產生比電源電壓更高的電壓。但是,這在占空比為 100% 的情況下是不可能的。因此,對于具有100%占空比能力的開關穩壓器,要么必須實現獨立于開關穩壓器MOSFET的精密電荷泵,要么必須將圖1所示的高邊開關設計為P溝道MOSFET。兩者都會導致額外的工作量和成本。
圖2.降壓型開關穩壓器中開關的時域表示,線圈電流以CCM為單位。
圖3所示為開關穩壓器ADP2370,通過使用P溝道MOSFET作為高端開關,可實現100%占空比。對于這種類型的降壓轉換器,輸入電壓可以降至非常接近輸出電壓的水平。通過將P溝道開關集成到開關穩壓器中,可以避免額外的成本。
圖3.允許占空比為 100% 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定點的水平,則應選擇允許占空比為1%或100%的開關穩壓器。
除了由開關穩壓器拓撲的高邊開關決定的占空比限制外,還對占空比施加了其他限制。我們將在后面的電源管理提示中考慮它們。
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