如何克服開關(guān)電源中的最小導(dǎo)通時(shí)間挑戰(zhàn)

在降壓轉(zhuǎn)換器等開關(guān)電源中，占空比控制相對(duì)于輸入電壓的輸出電壓。雖然更高的開關(guān)頻率有助于通過使用小電感器來減小解決方案尺寸，但必須滿足最短導(dǎo)通時(shí)間才能使開關(guān)電源正常工作。

換句話說，高端 FET 必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開啟一定時(shí)間，以滿足公式 1 中的條件：

其中 D 是占空比，f s是開關(guān)頻率。

電路中的幾個(gè)因素需要這個(gè)最小導(dǎo)通時(shí)間。例如，一個(gè)因素是高側(cè) FET 中電流波形前沿的電流尖峰。由于 FET 具有寄生柵極電容 C gs和 C gd，并且通過高側(cè) FET 的電流在其導(dǎo)通時(shí)會(huì)突然變化，因此在存在變化的電流時(shí)，電容的行為類似于短路。這導(dǎo)致電流尖峰。為了防止這種情況觸發(fā)電流限制，在消隱時(shí)間（圖 1 中的t LEB）期間會(huì)忽略違反電流限制的情況。因此，開關(guān)電路的最小導(dǎo)通時(shí)間必須大于消隱時(shí)間——否則，限流保護(hù)關(guān)斷時(shí)間將超過實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間。

電感是開關(guān)電源中常用的元件， 由于它的電流、 電壓相位不同， 所以理論上損耗為零。 電感常為儲(chǔ)能元件， 也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上， 用來平滑電流。 電感也被稱為扼流圈，特點(diǎn)是流過其上的電流有“很大的慣性” 。 換句話說， 由于磁通連續(xù)特性， 電感上的電流必須是連續(xù)的， 否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰。電感為磁性元件， 自然有磁飽和的問題。

有的應(yīng)用允許電感飽和， 有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和， 也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和， 這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分。 大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)” ， 此時(shí)電感值為一常數(shù)， 不隨著端電壓與電流而變化。 但是， 開關(guān)電源存在一個(gè)不可忽視的問題， 即電感的繞線將導(dǎo)致兩個(gè)分布參數(shù)(或寄生參數(shù))， 一個(gè)是不可避免的繞線電阻，另一個(gè)是與繞制工藝、 材料有關(guān)的分布式雜散電容。 雜散電容在低頻時(shí)影響不大， 但隨頻率的提高而漸顯出來， 當(dāng)頻率高到某個(gè)值以上時(shí)， 電感也許變成電容特性了。 如果將雜散電容“集中” 為一個(gè)電容， 則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性。

圖 1：高端 FET 電流波形前沿的電流尖峰

其他因素包括開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的上升和下降時(shí)間以及用于設(shè)置高端 FET 柵極電壓的電平轉(zhuǎn)換器延遲。

當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間降至最低時(shí)，設(shè)備的行為會(huì)有所不同，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致看似意外的問題。例如，開關(guān)電源可能會(huì)開始脈沖跳躍（如圖 2 所示），作為補(bǔ)償無法進(jìn)一步減少導(dǎo)通時(shí)間同時(shí)仍保持輸出電壓的一種方式。這會(huì)導(dǎo)致更大的輸出電壓紋波和開關(guān)頻率變化帶來的未知諧波。

圖 2：TPS61175 升壓轉(zhuǎn)換器中的脈沖跳躍波形

其他設(shè)備可能會(huì)使用頻率折返來降低占空比。在這種情況下，開關(guān)頻率下降，但脈沖有規(guī)律地出現(xiàn)——與脈沖跳躍不同，脈沖跳躍會(huì)丟棄整個(gè)脈沖。圖 3 顯示了此功能模式的示例。

圖 3：LM53602 在 V OUT = 5V 時(shí)的頻率折返

在選擇用于滿足您的開關(guān)電源需求的設(shè)備時(shí)，務(wù)必注意這些問題。例如，在汽車應(yīng)用中，任何電路中的頻率都不得落在 AM 頻段內(nèi)。否則，它們可能會(huì)干擾無線電信號(hào)并破壞通過該頻段發(fā)送的任何信息。任何涉及特定頻段信息傳輸?shù)膽?yīng)用都必須特別注意監(jiān)管機(jī)構(gòu)干擾的可能性。因此，使用最短導(dǎo)通時(shí)間更短的設(shè)備的設(shè)計(jì)會(huì)遇到更少的復(fù)雜問題。

LM53602降壓轉(zhuǎn)換器是具有最小導(dǎo)通時(shí)間的優(yōu)秀設(shè)備的一個(gè)例。 LM53602 降壓穩(wěn)壓器專為 12V 工業(yè)和汽車類 應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可通過最高 36V 的輸入電壓提供 3.3V/3A 或 10V/2A 輸出。

當(dāng)輸入電壓高達(dá) 20V 時(shí)，該器件可利用高級(jí)高速電路得以穩(wěn)壓，同時(shí)以 2.1MHz 的開關(guān)頻率提供 5V 輸出。該器件采用創(chuàng)新型架構(gòu)，在輸入電壓僅為 3.5V 時(shí)也可提供 3.3V 穩(wěn)壓輸出。該產(chǎn)品針對(duì)工業(yè)和汽車客戶進(jìn)行了全方位優(yōu)化。器件的輸入電壓最高可達(dá) 36V，容許的最高瞬態(tài)電壓達(dá) 42V，這簡化了輸入浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)。

開漏復(fù)位輸出具有濾波和延遲功能，可提供正確的系統(tǒng)狀態(tài)指示。憑借這一特性，器件無需使用附加監(jiān)控組件，這節(jié)省了成本和電路板空間。該器件可在 PWM 和脈頻調(diào)制 (PFM) 兩種模式之間無縫切換，并且無負(fù)載條件下的工作電流僅為 24μA，這確保了其在所有負(fù)載條件下均可展現(xiàn)高效率和出色的瞬態(tài)響應(yīng)。

其 50ns 的最短導(dǎo)通時(shí)間支持更大范圍的可能占空比和頻率配對(duì)。只要開關(guān)電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到最小導(dǎo)通時(shí)間的重要性，他們的設(shè)計(jì)就能夠在更多不同的情況下更有效地工作。