如何克服開關電源中的最小導通時間挑戰(zhàn)

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

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

其中 D 是占空比，f s是開關頻率。

電路中的幾個因素需要這個最小導通時間。例如，一個因素是高側(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 的電流在其導通時會突然變化，因此在存在變化的電流時，電容的行為類似于短路。這導致電流尖峰。為了防止這種情況觸發(fā)電流限制，在消隱時間（圖 1 中的t LEB）期間會忽略違反電流限制的情況。因此，開關電路的最小導通時間必須大于消隱時間——否則，限流保護關斷時間將超過實際導通時間。

電感是開關電源中常用的元件， 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。

有的應用允許電感飽和， 有的應用允許電感從一定電流值開始進入飽和， 也有的應用不允許電感出現(xiàn)飽和， 這要求在具體線路中進行區(qū)分。 大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)” ， 此時電感值為一常數(shù)， 不隨著端電壓與電流而變化。 但是， 開關電源存在一個不可忽視的問題， 即電感的繞線將導致兩個分布參數(shù)(或寄生參數(shù))， 一個是不可避免的繞線電阻，另一個是與繞制工藝、 材料有關的分布式雜散電容。 雜散電容在低頻時影響不大， 但隨頻率的提高而漸顯出來， 當頻率高到某個值以上時， 電感也許變成電容特性了。 如果將雜散電容“集中” 為一個電容， 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

其他因素包括開關節(jié)點電壓的上升和下降時間以及用于設置高端 FET 柵極電壓的電平轉(zhuǎn)換器延遲。

當導通時間降至最低時，設備的行為會有所不同，有時會導致看似意外的問題。例如，開關電源可能會開始脈沖跳躍（如圖 2 所示），作為補償無法進一步減少導通時間同時仍保持輸出電壓的一種方式。這會導致更大的輸出電壓紋波和開關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

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

圖 3：LM53602 在 V OUT = 5V 時的頻率折返

在選擇用于滿足您的開關電源需求的設備時，務必注意這些問題。例如，在汽車應用中，任何電路中的頻率都不得落在 AM 頻段內(nèi)。否則，它們可能會干擾無線電信號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枚急仨毺貏e注意監(jiān)管機構(gòu)干擾的可能性。因此，使用最短導通時間更短的設備的設計會遇到更少的復雜問題。

LM53602降壓轉(zhuǎn)換器是具有最小導通時間的優(yōu)秀設備的一個例。 LM53602 降壓穩(wěn)壓器專為 12V 工業(yè)和汽車類 應用而設計，可通過最高 36V 的輸入電壓提供 3.3V/3A 或 10V/2A 輸出。

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

開漏復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，并且無負載條件下的工作電流僅為 24μA，這確保了其在所有負載條件下均可展現(xiàn)高效率和出色的瞬態(tài)響應。

其 50ns 的最短導通時間支持更大范圍的可能占空比和頻率配對。只要開關電源設計人員認識到最小導通時間的重要性，他們的設計就能夠在更多不同的情況下更有效地工作。