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3.1.6 降壓電路的占空比
3.1.6.1 CCM模式下的占空比
3.1.6.2 DCM模式下的占空比
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3.1.6 降壓電路的占空比
占空比(Duty Cycle),定義為開關電源電路中開關管導通時間 T_ON 占整個開關周期 T_SW 的比例,即
這里需要注意的是,這里的“導通時間 T_ON ”特指非同步降壓電路中“開關管”(而不是續流二極管)或同步降壓電路中“高邊開關管”(而不是低邊開關管)的導通時間。
參考“2.3 降壓電路的導通模式有哪些?”章節內容,這里直接給出結論是:降壓電路中CCM模式與DCM模式的占空比、增益和傳遞函數都具有不同的表達形式,所以這兩個模式的工作原理具有較大差異。
以下,我們分別推導出CCM模式和DCM模式下占空比的表達式,從而加深對兩個模式的工作原理的理解。本篇推導CCM模式下占空比的各種表達形式。
3.1.6.1 CCM模式下的占空比
圖 3.12 CCM模式下功率電感電流和電壓波形
在連續導通模式(CCM)下開關周期 T_SW 等于導通時間 T_ON 和關斷時間 T_OFF 之和,即
從上述公式(3.81)和(3.82),可以解得導通時間和關斷時間的表達式分別為
四個公式(3.81)、(3.82)、(3.83)和(3.84)包含了四個參數,T_ON 是降壓電路的導通時間,T_OFF 是關斷時間,T_SW 是開關周期,D 是占空比。
從這四個公式和四個參數中可以發現,只要確定了其中的任意兩個參數,其他兩個參數也就可以確定。
將公式(3.82)(3.83)代入公式(3.81)可以得到基于 T_ON 和 T_OFF 這兩個參數的降壓電路的占空比為
因為在開關電源電路中,開關頻率是開關周期的倒數,即 F_SW=1/T_SW 。根據公式(3.83),降壓電路的占空比又可以表示為
根據公式(3.84),降壓電路的占空比又可以表示為
參考“3.1.2 什么是電感伏秒平衡?”章節內容,將公式(3.15)( V_(L,ON) = V_IN - V_(DS(ON)-H ) - V_DCR - V_OUT )和(3.21)( V_(L,OFF) = V_DCR + V_D + V_OUT )代入上述公式(3.88),可得非同步降壓電路的占空比為
將上述公式中續流二極管壓降 V_D 使用低邊開關管壓降 V_(DS(ON)-L) 代替,可得同步降壓電路的占空比為
在非同步和同步降壓電路中,因為寄生參數 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D 相對輸入電壓 V_IN 和輸出電壓 V_OUT 來說,可以忽略。所以,在多數工程計算中,非同步和同步降壓電路的占空比通常被簡化為
上述,公式(3.89)和(3.90)是考慮了寄生參數或轉換效率時降壓電路(BUCK)占空比的表達式,是降壓電路實際工作的占空比。公式(3.91)是不考慮寄生參數或轉換效率時降壓電路(BUCK)的占空比表達式,也是被最廣泛使用的BUCK電路的占空比表達式。
這里需要知道的是,“寄生參數 V_(DS(ON)-H) 、 V_(DS(ON)-L) 、 V_DCR 和 V_D”和轉換效率的概念,可以認為是等同的。
從后續“3.4 降壓電路的功率、損耗和效率”章節內容可知,正是這些寄生參數包括 V_(DS(ON)-H) 和 V_(DS(ON)-L) 等影響了轉換效率,寄生參數與轉換效率成反比關系。
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