WEBENCH® 电源设计工具中的占空比计算

开关稳压器的占空比经常被认为只与输入和输出电压成比例。但是,当我们仔细查看计算结果时,我们会发现,这个值也反映出了电路损耗。选择会带来更多损耗的组件,比如说具有较高DCR的电感器,会导致占空比增加(对于一个降压转换器是如此),有可能导致其它组件的额外效率损失。当使用TI的WEBENCH® 电源设计工具来创建一个电源时,此模型的计算结果并不依靠基本理想方程式,而是使用详细的计算结果,为你显示组件损耗与占空比小幅变化之间的交互作用。为了对这一点有一个深入的了解,我们来看一看图1中所示的一个降压转换器示例。

1.异步降压转换器

在一个降压转换器中,占空比D被定义为D = Ton/Ts

在这里Ts = 1/开关频率

              Ton = 开关接通时间

当高侧电源开关被接通时,电流从输入流入,流经电感器。当高侧开关关闭时,二极管(或者在这个使用同步转换器的情况下,为低侧NMOS开关)被接通,并且电流通过二极管(或低侧NMOS开关)循环,这是因为电感器电流不能立即停止。在稳定状态运行期间,开关的接通和关闭次数是均衡的,以保持所需的输出电压。图2显示的是,开关接通时间内,电感器电流和流经高侧MOSFET的电流上升,反之,在开关关闭时间内,二极管和电感器电流下降。

2.降压转换器波形。

通过代入,我们能够获得一个针对占空比的方程式,它取决于输入电压、输出电压、和FET与二极管压降。如果FET和二极管压降小于输入和输出电压,占空比方程式进一步简化为Vout与Vin之间的比值。                      

 

对于一个理想同步降压转换器来说,开关上无压降或其它损耗,占空比正好为输入电压与输入电压的比值。

然而,一个同步降压转换器内占空比的真实计算涉及高侧和低侧组件上的电压。因此,我们回到非理想情况,并且将全部最初项包含在内:

上面方程式中的电压项与输入负载电流,Iout,成比例。

通过观察上述方程式,我们可以得出:

WEBENCH 电源设计工具计算值以这些真实损耗项为基础。为了研究占空比期间的Vin,Iout,和电感器上DCR的影响,用TI的TPS54325-Q1 4.5V至18V输入,3A同步降压转换器创建了一个设计,其中Vin=11.5-12.5V,在输出电流为3A时,并且Vout=3.3(请见图3)。

3-TPS54325-Q1同步降压转换器,Vin=11.5-12.5V,3A Iout负载时的Vout为3.3V。

 图4-请注意,选用的电感器为TDK SPM6530T-2R2M,它具有2.2uH的电感值,以及19mWDCR。

 

5-这个设计计算出的运行值,其中包括28.8%的占空比,86.3%的效率值,以及0.22W的电感器功率耗散L Pd。

 

6. WEBENCH® 电源设计工具确认了以下内容:


为了研究DCR对于占空比和效率的影响,我们选择一个Coilcraft公司的电感器XAL4020-222MB,它的电感值也为2.2uH,但是DCR增加到35mW(图7)。请在这里查看此设计。

7. 选择Coilcraft电感器XAL4020-222MB,电感值也为2.2uH,但是DCR增加到35mW


如图8中所示,随着DCR的增加,现在的占空比为29.2%,效率下降到84.9%。

8.使用DCR为35mW的电感器时的OPval。

为了查看更大的变化量,选择了具有更高DCR (0.5Ω) 和同样电感值的定制电感器(图9)。请在这里查看此设计。

9.具有0.50Ω DCR和同样2.2uH电感值的定制电感器的设置。

需要注意的一点是,目前占空比大幅上升至40%,而效率骤降至57%。效率的下降是因为电感器损耗大幅上升至6.08W。图10显示了占空比的急剧增加,以及效率的迅速下降。

10.显示了具有0.50Ω的高DCR的定制电感器影响的效率和占空比图。

图11和12总结了一个2.2uH电感器的19mΩ,35mΩ和0.5Ω的3个DCR情况,以及其对于占空比、效率和电感器功率耗散的影响。

11.针对3个DCR情况的OpVal比较。

12.针对效率、占空比和L Pd的汇总图。

最后,开关稳压器必须工作得额外努力,才能在DCR增加时,将输出电压保持在需要的水平上,而这也导致了更高的功率耗散损耗。因此,选择一个具有最小DCR的合适电感器,以便用最优占空比尽可能地提高开关稳压器的效率十分重要。

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原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/05/28/duty-cycle-calculation-in-webench-power-designer