Перейти к содержанию

Максимальный коэффициент заполнения (Dmax)

Понижающий преобразователь не может держать верхний ключ открытым бесконечно долго: каждый такт ему нужно хотя бы немного времени в выключенном состоянии. Отсюда предельный коэффициент заполнения, который ограничивает, насколько близко вход может подойти к выходу. Разбираем на двух микросхемах TI.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Максимальный коэффициент заполнения Dmax — наибольшая доля периода, в течение которой ключ импульсного преобразователя может быть открыт. В понижающем преобразователе выходное напряжение приблизительно равно D · VIN, поэтому Dmax задаёт наименьшую разность вход — выход, при которой выход ещё стабилизирован.

Откуда берётся предел

Каждый такт ключ должен хотя бы ненадолго закрыться: у схемы управления есть минимальное время выключения tOFF-MIN, а бутстрепный конденсатор верхнего драйвера подзаряжается, только когда открыт нижний ключ. LMR33630, если напряжение на этом конденсаторе падает ниже 2,2 В, принудительно открывает нижний ключ. При фиксированной частоте

Dmax=1−tOFF,min⋅fSWD_{max} = 1 - t_{OFF,min} \cdot f_{SW}

У TI LMR33630 tOFF-MIN — 52 нс номинально. На 400 кГц это Dmax ≈ 97,9 %, на 2,1 МГц — около 89 %. Чем выше частота, тем больше теряется на минимальном времени выключения. Противоположная граница — минимальное время включения, которое ограничивает малый коэффициент заполнения.

Как микросхемы обходят предел

Снижение частоты. LMR33630, приблизившись к пределу, удлиняет такт, сохраняя минимальное время выключения. Частота падает до

fMIN≈1tON,max+tOFF,min,DMAX=tON,maxtON,max+tOFF,minf_{MIN} \approx \frac{1}{t_{ON,max} + t_{OFF,min}}, \quad D_{MAX} = \frac{t_{ON,max}}{t_{ON,max} + t_{OFF,min}}

При tON-MAX = 7 мкс это около 140 кГц и Dmax ≈ 99,3 %. TI определяет dropout как разность вход — выход, при которой выход упал на 1 %.

Режим 100 %. TPS62130 при сближении входа и выхода просто держит верхний ключ открытым. Тогда выход ограничен только падениями на ключе и сопротивлении дросселя:

VIN(min)=VOUT+IOUT⋅(RDS(on)+RL)V_{IN(min)} = V_{OUT} + I_{OUT} \cdot (R_{DS(on)} + R_L)

Учёт КПД

TI в записке SLVA477C советует считать коэффициент заполнения с учётом КПД: D = VOUT/(VIN · η). Преобразователь отдаёт и мощность потерь, поэтому реальный D больше идеального отношения напряжений, и до предела он доходит раньше. О выборе понижающих преобразователей — в разделе понижающих DC-DC.

Частые вопросы

Почему понижающий преобразователь не может выдать 5 В из 5,2 В?

Может не суметь из-за предельного коэффициента заполнения и падений на ключе и дросселе. На частоте 2,1 МГц такт длится около 476 нс, и при минимальном времени выключения 52 нс ключ открыт не больше 89 % такта: из 5,2 В получится лишь около 4,6 В. LMR33630 в такой ситуации снижает частоту, чтобы растянуть время включения.

Что такое режим 100 % заполнения?

Режим, в котором верхний ключ не переключается, а открыт постоянно, пока выход ниже заданного. Нижний ключ при этом выключен. У TI TPS62130 так преобразователь работает при входе, близком к выходу: выходное напряжение равно входному минус падения на ключе и дросселе, VIN − IOUT · (RDS(on) + RL).

Зачем нужно минимальное время выключения?

Схема управления не может закрыть и снова открыть ключ быстрее определённого времени, а верхний n-канальный ключ питается от бутстрепного конденсатора, который подзаряжается только при открытом нижнем ключе. У LMR33630 минимальное время выключения — 52 нс номинально и до 85 нс в корпусе DDA; если конденсатор разрядился ниже 2,2 В, микросхема сама открывает нижний ключ для подзаряда.

Источники

  1. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Converter, SNVSAN3F (August 2017, revised November 2020) — табл. 7.5: VBOOT-UVLO 2,2 В — при падении напряжения на CBOOT ниже этого уровня открывается нижний ключ для подзаряда (сноска 3); разд. 7.6: tOFF-MIN 52 нс ном., 70 нс макс. (корпус RNX), 50/85 нс (DDA); tON-MAX 7 мкс ном., 9 мкс макс.; сноска 2: в режиме dropout частота снижается, чтобы увеличить эффективный коэффициент заполнения, наименьшая частота fMIN ≈ 1/(tON-MAX + tOFF-MIN), DMAX = tON-MAX/(tON-MAX + tOFF-MIN); разд. 8.4.2: на dropout влияют RDS(on) ключей, сопротивление дросселя и наибольший коэффициент заполнения; когда время выключения приближается к минимуму, переключение может стать неустойчивым, и выход теряет стабилизацию, поэтому LMR33630 снижает частоту; dropout — разность вход — выход при падении выхода на 1 %, при этом частота снижается до минимума около 140 кГц
  2. Texas Instruments. TPS6213x 3-V to 17-V 3-A Step-Down Converter, SLVSAG7F (November 2011, revised November 2021) — разд. 8.4.3: коэффициент заполнения D = VOUT/VIN растёт при сближении входа и выхода; устройство переходит в режим 100 %, верхний ключ открыт всё время, пока выход ниже заданного, нижний ключ выключен; VIN(min) = VOUT(min) + IOUT · (RDS(on) + RL), ур. 3
  3. Texas Instruments. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage, SLVA477C (December 2011, revised September 2026) — разд. 2, ур. 1: D = VOUT/(VIN · η) — к идеальному отношению добавляют КПД, потому что преобразователь отдаёт и энергию потерь

Нашли ошибку?

Смотрите также