芯片最大可输出电压
Buck是降压拓扑,在输入电压一定时,输出电压是有上限的,一般有两种方法确定最大输出电压:
1.部分芯片标注有最大占空比Dmax,输入电压乘以Dmax即为最大输出电压
2.如果芯片没有标注最大占空比,可以通过芯片最小关断时间Toff_min来计算。以MPM3632C为例,Toff_min=80ns,fsw=3MHz,那么芯片的最大占空比为Dmax=1-80ns*3MHz=76%。可以看出,芯片开关频率越高,能支持的最大占空比越小。可通过降低开关频率来提高芯片最大占空比,部分芯片也会通过自动降低频率来提高占空比。
**请注意:**即使Dmax可以支持较高的输出,最终的输出电压也不能超过芯片推荐的最大值。
开关频率对于电路的影响:
一般来说,开关频率越高,设计时可以选择感量更小的电感,输入输出电容的容值也可以更小一些,这样总体的尺寸可以做的更小。同时输出静态纹波、动态纹波均会更小。
但是更高的开关频率,会使得芯片损耗上升,温度上升,效率下降。
开关频率的大小会影响较多因素,本文只总结应用中的常见影响,其余不讨论。想了解更多可查看下面的视频:
MPS电源小课堂:选择开关电源的频率有讲究
MPS电源小课堂:开关频率对实际工程设计的影响-下
为什么buck 的输出电压越高,效率越高?
这个问题可以从损耗的角度来分析。下面这篇帖子分析了buck电路的主要损耗来源。
如何提高电源效率,降低发热
通常来说Buck的主要损耗为开关损耗、导通损耗、电感损耗。从公式来看,其他条件都相同的情况下,提高输出电压,开关损耗、电感损耗几乎不会受影响,但是占空比会增大,上管导通时间变长,也就是上管的导通损耗增加,下管的导通损耗减小,导通损耗从下管转移到上管。如果上下管的导通电阻Rdson相同,那么总的导通损耗是不变的。但是通常来说,集成MOS的buck转换器,上管的Rdson会高于下管,因此总的导通损耗会略微增加,但是增加的幅度不及输出电压的变化幅度。也就是说,相同条件下增加输出电压,电路的整体损耗只会略微增加,因此损耗的占比会降低,效率自然就更高。
自举电路(Bootstrap ,简称BST )的作用
关于BST电路的作用、详细原理可以看以下视频:
MPS电源小课堂:DCDC的高端NMOS的自举秘诀
简单来说BST电路是为了给上管的NMOS提供驱动所需电压。通过在SW和BST脚之间接一个电容。有时会串联一个电路(如下图R4),电阻的作用是减缓上管的开通速度,可以有效减小开关时造成的电压尖峰,优化EMI,但是会增大芯片的开关损耗,降低效率。电阻阻值越大,上管的开通速度越慢,一般阻值介于0R~50R,视实际情况选择。
负载调整率(load regulation):输出电压跟随输出负载的变化率。表征的是在不同大小的输出负载下,输出电压的变化情况。一般以半载时的输出电压作为基准,以百分数表示。数值越小,代表输出电压在不同负载下的偏差越小。负载调整率越小越好。
线性调整率(line regulation):输出电压跟随输入电压的变化率。表征的是在不同大小的输入电压下,输出电压的变化情况。一般以输入电压范围中值时候的输出电压作为基准,以百分数表示。数值越小,代表输出电压在不同输入电压下的偏差越小。线性调整率越小越好。
软启动(soft-start)
软启动主要是为了避免启动时输出电压产生过冲。大多数buck芯片都集成了软启动功能。部分芯片的软启动时间固定不可调,部分芯片的软启动时间可调。一般有两种可调方式:外部SS脚,I2C调节寄存器。以外部SS脚为例,一般SS脚会对地接一颗电容,电容容值越大,软启时间越长,具体时间请按照规格书中给出的公式计算。软启动时间需要按实际需求配置,如无特殊要求,建议按照参考电路配置。