如何克服开关电源中的最小导通时间挑战

在降压转换器等开关电源中，占空比控制相对于输入电压的输出电压。虽然更高的开关频率有助于通过使用小电感器来减小解决方案尺寸，但必须满足最短导通时间才能使开关电源正常工作。

换句话说，高端 FET 必须在每个开关周期内开启一定时间，以满足公式 1 中的条件：

其中 D 是占空比，f s是开关频率。

电路中的几个因素需要这个最小导通时间。例如，一个因素是高侧 FET 中电流波形前沿的电流尖峰。由于 FET 具有寄生栅极电容 C gs和 C gd，并且通过高侧 FET 的电流在其导通时会突然变化，因此在存在变化的电流时，电容的行为类似于短路。这导致电流尖峰。为了防止这种情况触发电流限制，在消隐时间（图 1 中的t LEB）期间会忽略违反电流限制的情况。因此，开关电路的最小导通时间必须大于消隐时间——否则，限流保护关断时间将超过实际导通时间。

电感是开关电源中常用的元件， 由于它的电流、 电压相位不同， 所以理论上损耗为零。 电感常为储能元件， 也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上， 用来平滑电流。 电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性” 。 换句话说， 由于磁通连续特性， 电感上的电流必须是连续的， 否则将会产生很大的电压尖峰。电感为磁性元件， 自然有磁饱和的问题。

有的应用允许电感饱和， 有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和， 也有的应用不允许电感出现饱和， 这要求在具体线路中进行区分。 大多数情况下，电感工作在“线性区” ， 此时电感值为一常数， 不随着端电压与电流而变化。 但是， 开关电源存在一个不可忽视的问题， 即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数)， 一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、 材料有关的分布式杂散电容。 杂散电容在低频时影响不大， 但随频率的提高而渐显出来， 当频率高到某个值以上时， 电感也许变成电容特性了。 如果将杂散电容“集中” 为一个电容， 则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。

图 1：高端 FET 电流波形前沿的电流尖峰

其他因素包括开关节点电压的上升和下降时间以及用于设置高端 FET 栅极电压的电平转换器延迟。

当导通时间降至最低时，设备的行为会有所不同，有时会导致看似意外的问题。例如，开关电源可能会开始脉冲跳跃（如图 2 所示），作为补偿无法进一步减少导通时间同时仍保持输出电压的一种方式。这会导致更大的输出电压纹波和开关频率变化带来的未知谐波。

图 2：TPS61175 升压转换器中的脉冲跳跃波形

其他设备可能会使用频率折返来降低占空比。在这种情况下，开关频率下降，但脉冲有规律地出现——与脉冲跳跃不同，脉冲跳跃会丢弃整个脉冲。图 3 显示了此功能模式的示例。

图 3：LM53602 在 V OUT = 5V 时的频率折返

在选择用于满足您的开关电源需求的设备时，务必注意这些问题。例如，在汽车应用中，任何电路中的频率都不得落在 AM 频段内。否则，它们可能会干扰无线电信号并破坏通过该频段发送的任何信息。任何涉及特定频段信息传输的应用都必须特别注意监管机构干扰的可能性。因此，使用最短导通时间更短的设备的设计会遇到更少的复杂问题。

LM53602降压转换器是具有最小导通时间的优秀设备的一个例。 LM53602 降压稳压器专为 12V 工业和汽车类 应用而设计，可通过最高 36V 的输入电压提供 3.3V/3A 或 10V/2A 输出。

当输入电压高达 20V 时，该器件可利用高级高速电路得以稳压，同时以 2.1MHz 的开关频率提供 5V 输出。该器件采用创新型架构，在输入电压仅为 3.5V 时也可提供 3.3V 稳压输出。该产品针对工业和汽车客户进行了全方位优化。器件的输入电压最高可达 36V，容许的最高瞬态电压达 42V，这简化了输入浪涌保护设计。

开漏复位输出具有滤波和延迟功能，可提供正确的系统状态指示。凭借这一特性，器件无需使用附加监控组件，这节省了成本和电路板空间。该器件可在 PWM 和脉频调制 (PFM) 两种模式之间无缝切换，并且无负载条件下的工作电流仅为 24µA，这确保了其在所有负载条件下均可展现高效率和出色的瞬态响应。

其 50ns 的最短导通时间支持更大范围的可能占空比和频率配对。只要开关电源设计人员认识到最小导通时间的重要性，他们的设计就能够在更多不同的情况下更有效地工作。