WEBENCH 電源設(shè)計工具中的占空比計算

開關(guān)穩(wěn)壓器的占空比經(jīng)常被認為只與輸入和輸出電壓成比例。但是，當我們仔細查看計算結(jié)果時，我們會發(fā)現(xiàn)，這個值也反映出了電路損耗。選擇會帶來更多損耗的組件，比如說具有較高DCR的電感器，會導(dǎo)致占空比增加（對于一個降壓轉(zhuǎn)換器是如此），有可能導(dǎo)致其它組件的額外效率損失。當使用TI的WEBENCH® 電源設(shè)計工具來創(chuàng)建一個電源時，此模型的計算結(jié)果并不依靠基本理想方程式，而是使用詳細的計算結(jié)果，為你顯示組件損耗與占空比小幅變化之間的交互作用。為了對這一點有一個深入的了解，我們來看一看圖1中所示的一個降壓轉(zhuǎn)換器示例。

圖1.異步降壓轉(zhuǎn)換器

在一個降壓轉(zhuǎn)換器中，占空比D被定義為D = Ton/Ts

在這里Ts = 1/開關(guān)頻率

Ton = 開關(guān)接通時間

當高側(cè)電源開關(guān)被接通時，電流從輸入流入，流經(jīng)電感器。當高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時，二極管（或者在這個使用同步轉(zhuǎn)換器的情況下，為低側(cè)NMOS開關(guān)）被接通，并且電流通過二極管（或低側(cè)NMOS開關(guān)）循環(huán)，這是因為電感器電流不能立即停止。在穩(wěn)定狀態(tài)運行期間，開關(guān)的接通和關(guān)閉次數(shù)是均衡的，以保持所需的輸出電壓。圖2顯示的是，開關(guān)接通時間內(nèi)，電感器電流和流經(jīng)高側(cè)MOSFET的電流上升，反之，在開關(guān)關(guān)閉時間內(nèi)，二極管和電感器電流下降。

圖2.降壓轉(zhuǎn)換器波形。

通過代入，我們能夠獲得一個針對占空比的方程式，它取決于輸入電壓、輸出電壓、和FET與二極管壓降。如果FET和二極管壓降小于輸入和輸出電壓，占空比方程式進一步簡化為Vout與Vin之間的比值。                      

對于一個理想同步降壓轉(zhuǎn)換器來說，開關(guān)上無壓降或其它損耗，占空比正好為輸入電壓與輸入電壓的比值。

然而，一個同步降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)占空比的真實計算涉及高側(cè)和低側(cè)組件上的電壓。因此，我們回到非理想情況，并且將全部最初項包含在內(nèi)：

上面方程式中的電壓項與輸入負載電流，Iout，成比例。

通過觀察上述方程式，我們可以得出：

WEBENCH 電源設(shè)計工具計算值以這些真實損耗項為基礎(chǔ)。為了研究占空比期間的Vin，Iout，和電感器上DCR的影響，用TI的TPS54325-Q1 4.5V至18V輸入，3A同步降壓轉(zhuǎn)換器創(chuàng)建了一個設(shè)計，其中Vin=11.5-12.5V，在輸出電流為3A時，并且Vout=3.3（請見圖3）。

圖3-TPS54325-Q1同步降壓轉(zhuǎn)換器，Vin=11.5-12.5V，3A Iout負載時的Vout為3.3V。

 圖4-請注意，選用的電感器為TDK SPM6530T-2R2M，它具有2.2uH的電感值，以及19mW的DCR。

圖5-這個設(shè)計計算出的運行值，其中包括28.8%的占空比，86.3%的效率值，以及0.22W的電感器功率耗散L Pd。