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BUCK电路输出电压最小值和最大值的限制因素是什么?

上图所示,通常我们知道,BUCK电路的输出电压VOUT的大小是通过R1和R2两个分压电阻配置的,配置公式为 Vout = Vfb*(1+R1/R2);但是,在BUCK电源控制芯片固定的情况下,能够实现的Vout最小值和最大值分别是多少呢?本文,我们将探讨这个问题。

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限制因素1——参考电压 VREF,限制 Vout 最小值

参考任意能够可调输出电压的降压转换器或控制器芯片的规格书,几乎都能够找到如下用于配置输出电压大小的公式,如

也就是说,输出电压Vout的大小可以表示如下:

其中,R1是高边反馈电阻,R2是低边反馈电阻。由此可见,在 VREF固定的情况下,输出电压大小由比例 R1/R2 决定;当 R2 取无穷大的时候,比例 R1/R2 几乎等于 0,这时输出电压 Vout 可取得最小值,等于 VREF ,这就是BUCK电路输出电压 Vout 能够取得的最小值。

这里说明两点:

① R2 取无穷大,也就是开路,R1 取 10k - 100k 之间电阻,将输出端 Vout 连接到 Vfb 引脚即可。

② 某些BUCK芯片可以通过一些方法实现比 Vref 更低的输出电压,针对这点,本文不做讨论,将在后续文章专门讨论。

在BUCK电源控制芯片固定的情况下,VREF 是芯片固有的参数,如TPS54561DPRT芯片的参考电压是 Vref,typ = 0.8V ,LM5116MH/NOPB芯片的参考电压是 Vref,typ = 1.215V ,LM5161PWPR芯片的参考电压是 Vref,typ = 2.0V 。所以,由这三个芯片组成的BUCK电路能够实现的输出电压 Vout 最小值分别为 0.8V 、1.215V 和 2.0V 。

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限制因素2——占空比或导通关断时间,限制输出电压最小值和最大值

由“3.1.6.1 CCM模式下的占空比” [BUCK电路的CCM模式占空比,你知道哪几种?]章节公式(3.91)可得,基于占空比和输入电压这两个参数,降压电路的输出电压表示为(3.111)

所以,在输入电压固定不变的情况下,从占空比这个参数的角度看,降压电路的输出电压最小值和最大值分别对应着占空比有最小值和最大值时,表示为

从公式(3.97)和(3.98)可知,占空比最小值和最大值分别对应着降压器件的导通时间最小值和关断时间最小值,所以降压电压的输出电压最小值和最大值可以表示为(3.114)(3.115)

可见,在输入电压 V_IN 和开关频率 F_SW 不变的情况下,输出电压与占空比或导通时间成正比关系,与关断时间成反比关系。

这里需要说明的是,开关电源电路中的很多参数都是相互关联的。从公式(3.111)看出,降压电路的输出电压等于占空比与输入电压的乘积,基于占空比这个参数看输出电压最小值和最大值时,前提条件必须是在输入电压恒定的情况下;基于导通时间和关断时间看输出电压最小值和最大值时,前提条件必须是在输入电压和开关频率都恒定的情况下。

以上,输出电压最小值和最大值公式(3.112) - (3.115)是依据公式(3.111)推导而来,而公式(3.111)又是公式(3.91)的变形。

参考“3.1.6.1 CCM模式下的占空比”章节可知,公式(3.91)是忽略了寄生参数后简化的降压电路占空比的表达式;在不忽略寄生参数的情况下,非同步降压电路和同步降压电路占空比的表达式分别是公式(3.89)和公式(3.90),如果想要更精确地计算输出电压的最小值和最大值,就需要利用这两个包含寄生参数的降压电路占空比的表达式。

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附:公式(3.89)和公式(3.90)

你知道还有哪些参数会限制BUCK电路输出电压最小值和最大值吗?欢迎留言讨论。

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