開關電源中的最小導通時間介紹

在降壓轉換器等開關電源中，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 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 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， 由于磁通連續特性， 電感上的電流必須是連續的， 否則將會產生很大的電壓尖峰。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飽和， 這要求在具體線路中進行區分。 大多數情況下，電感工作在“線性區” ， 此時電感值為一常數， 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(或寄生參數)， 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，但脈沖有規律地出現——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。否則，它們可能會干擾無線電信號并破壞通過該頻段發送的任何信息。任何涉及特定頻段信息傳輸的應用都必須特別注意監管機構干擾的可能性。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降壓轉換器是具有最小導通時間的優秀設備的一個例。 LM53602 降壓穩壓器專為 12V 工業和汽車類 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壓，同時以 2.1MHz 的開關頻率提供 5V 輸出。該器件采用創新型架構，在輸入電壓僅為 3.5V 時也可提供 3.3V 穩壓輸出。該產品針對工業和汽車客戶進行了全方位優化。器件的輸入電壓最高可達 36V，容許的最高瞬態電壓達 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，可提供正確的系統狀態指示。憑借這一特性，器件無需使用附加監控組件，這節省了成本和電路板空間。該器件可在 PWM 和脈頻調制 (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高效率和出色的瞬態響應。

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。

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