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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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