开关电源占空比的最小限制详细探讨

21IC 发表于 2020-10-17 09:23:46 收藏 已收藏
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开关电源占空比的最小限制详细探讨

21IC 发表于 2020-10-17 09:23:46

  虽然占空比有最大限制,但本电源管理技巧重点探讨占空比的最小限制。

  在连续导通模式(CCM)下,降压型开关稳压器(降压变换器)的占空比相当于输出电压除以输入电压。因此如果输出电压正好是输入电压的一半,对应的占空比为 50%。根据实际分量和相应的寄生损失,这个占空比实际上稍有不同。不过这个简单的占空比计算公式已足够用于估算。

  

  图1.采用ADP2389的典型降压型开关稳压器,最高输出电流为12 A

  因此,如果通过5 V电源电压产生1 V输出电压,对应的占空比为20%。图1显示采用ADI公司ADP2389稳压器的降压转换器拓扑。该稳压器的开关频率可高达2.2 MHz。在图2的时域图中,可以看到当开关频率为2.2 Mhz时,在新周期开始之前,周期T值只有大约450 ns。

  ADP2389的最小导通时间为100 ns。因此在2.2 MHz开关频率下,无法实现5 V到1 V的电压转换。它需要20%的占空比,相当于在450 ns周期内只有90 ns的导通时间。这个时间低于ADP2389电压转换器的额定最小导通时间。

  

  图2.开关频率为2.2 MHz时显示的最小导通时间

  尽管如此,如果依然想用ADP2389来实现5 V到1 V转换,可通过降低开关频率的方式。这样,图2中的周期T变得更长,而100 ns的最小导通时间所占百分比也变低。在2 MHz开关频率下,周期为500 ns。要达到20%的占空比,需要100 ns的导通时间。根据技术规格,可采用ADP2389来实现。

  这就有个问题,为何会出现限制输入电压与输出电压之比的最小导通时间。在许多开关模式电源转换器中,原因在于电感电流是在导通时间内测量的。此电流用于过流保护,并用于根据电流闭环控制原理(电流模式控制)工作的稳压器中。环路调节也需要测量电感电流。在开关瞬变后,必须先降低产生的噪音才能进行准确的电流测量。这需要一些时间,也称为消隐时间。尤其对于MHz级别的极高开关频率,最小导通时间的影响也更大,目前正在研发能够实现更短的最小导通时间的电路。

  对于低占空比,例如降压型开关稳压器中的高输入电压和低输出电压,最小导通时间是关键限制。它通常会限制支持开关模式电源工作的最大开关频率。

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