Верхние границы коэффициента заполнения

Frederik Dostal, Analog Devices

Изменяемым параметром, используемым в контуре регулирования выходного напряжения или тока импульсного стабилизатора, является коэффициент заполнения. Коэффициент заполнения (D) равен отношению времени включенного состояния (TON) к полной длительности цикла (T), то есть, к сумме времен выключенного состояния (TOFF) и включенного, и определяет простую взаимосвязь между входным и выходным напряжением.

Типичный импульсный понижающий регулятор с микросхемой ADP2441.
Рисунок 1. Типичный импульсный понижающий регулятор с
микросхемой ADP2441.

Для более точного расчета могут быть учтены и другие факторы, но для последующих объяснений они не являются решающими. Коэффициент заполнения импульсного регулятора зависит от его топологии. Коэффициент заполнения понижающего преобразователя, показанного на Рисунке 1, соответствует выражению

Для повышающего преобразователя выражение для коэффициента заполнения имеет вид

Эти формулы применимы к режиму непрерывной проводимости (CCM), то есть к режиму, в котором за период времени T ток дросселя не падает до нуля. Режим непрерывной проводимости часто используется в схемах, работающих при номинальной нагрузке. В другом режиме, называемом режимом прерывистой проводимости (DCM), который включается автоматически при легких нагрузках или преднамеренно, ток катушки на интервалах выключения прекращается. Для каждого из этих двух режимов работы существуют собственные зависимости коэффициента заполнения от соотношения входного и выходного напряжения.

Рисунок 2 иллюстрирует работу импульсного понижающего преобразователя во временной области. Здесь мы рассмотрим понижающий импульсный регулятор, работающий в непрерывающемся режиме, то есть в режиме непрерывной проводимости. От частоты переключения коэффициент заполнения не зависит. Типичные значения длительности периода T лежат в интервале от 20 мкс (50 кГц) до 330 нс (3 МГц). Если входное и выходное напряжения одинаковы, потребуется коэффициент заполнения, равный 1. Это означает, что коммутатор всегда находится только во включенном состоянии и никогда в выключенном. Однако подобное невозможно ни для какого импульсного регулятора. Для этого MOSFET верхнего плеча в схеме на Рисунке 1 должен быть постоянно открытым. В случае, когда в качестве этого ключа используется N-канальный MOSFET, для нормальной работы напряжение на его затворе должно быть выше входного напряжения схемы. Если после каждого замыкания ключ на какое-то время размыкается, как в случае коэффициента заполнения, меньшего 1, создать напряжение более высокое, чем напряжение питания, можно довольно легко, используя принцип зарядового насоса. Однако при коэффициенте заполнения 100% это невозможно. Таким образом, импульсные регуляторы со 100-процентным коэффициентом заполнения либо должны иметь сложные зарядовые насосы, работающие независимо от MOSFET импульсного регулятора, либо ключ верхнего плеча в схеме на Рисунке 1 должен быть сделан на основе P-канального MOSFET. И то и другое увеличивает как время разработки, так и затраты средств.

Иллюстрация во временной области процессов переключения в импульсном понижающем преобразователе с непрерывающимся током катушки (CCM).
Рисунок 2. Иллюстрация во временной области процессов переключения в импульсном
понижающем преобразователе с непрерывающимся током катушки (CCM).

На Рисунке 3 показан импульсный регулятор ADP2370, который позволяет работать с коэффициентом заполнения 100% за счет использования P-канального MOSFET в качестве ключа верхнего плеча. Входное напряжение таких импульсных преобразователей может очень мало отличаться от выходного напряжения. При интеграции P-канального ключа в микросхему импульсного регулятора это решение не приведет к дополнительным затратам.

Пример импульсного регулятора, способного работать с коэффициентом заполнения 100%.
Рисунок 3. Пример импульсного регулятора, способного работать
с коэффициентом заполнения 100%.

Если требуется, чтобы входное напряжение приложения могло понижаться до уровня, очень близкого к установленному значению выходного напряжения, следует выбрать импульсный регулятор, допускающий работу с коэффициентом заполнения 1 (или 100%).

Помимо ограничения на коэффициент заполнения, связанного с ключом верхнего плеча импульсного регулятора, существуют другие факторы, ограничивающие коэффициент заполнения. Их рассмотрению мы посвятим следующую статью.

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1320
сейчас смотрят 10
представлено поставщиков 577
загружено
позиций
25 067 862