為何我的BUCK電路無(wú)法達(dá)到器件宣稱的開(kāi)關(guān)頻率？

01、背景簡(jiǎn)介

上圖所示，根據(jù)規(guī)格書或產(chǎn)品介紹，ADP2389ACPZ-R7同步降壓轉(zhuǎn)換器件支持的開(kāi)關(guān)頻率從200kHz到2200kHz，我設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率是Fsw = 2200kHz，從輸入Vin = 5.0V轉(zhuǎn)換為輸出Vout = 1.0V，但是實(shí)際卻輸出1.111V，比預(yù)期高了0.111V，為什么呢？如果說(shuō)這0.111V是紋波電壓的話，那這紋波電壓占比達(dá)到了100*(0.111/1.0)=11.10%，相對(duì)較高…

此文分析，為何基于ADP2389ACPZ-R7器件，在2200kHz下無(wú)法從5.0V轉(zhuǎn)換得到1.0V…

02、原因分析

上圖所示，參考《開(kāi)關(guān)電源寶典·降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》公式(3.96)(3.105)，在輸入電壓5.0V、輸出電壓1.0V、開(kāi)關(guān)頻率2200kHz條件下，對(duì)應(yīng)的占空比為D = 1.0 / 5.0 = 20% ，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間為 Ton = 0.2 / 2200 kHz = 90ns …

上圖所示，在開(kāi)關(guān)頻率為2200kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)周期為1 / 2200kHz = 450 ns 。

這就意味著，要在450ns的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)將輸入5.0V轉(zhuǎn)換為輸出1.0V，允許的高邊開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 Ton 需要是 90ns。

上圖所示，是ADP2389ACPZ-R7規(guī)格書中電氣特性的描述，其中說(shuō)明了該轉(zhuǎn)換器的最小導(dǎo)通時(shí)間（Minimum On Time）是 100ns ，F(xiàn)sw = 2200kHz 、Vin = 5.0V 、 Vout = 1.0V 條件下的 Ton = 90ns 已經(jīng)小于該轉(zhuǎn)換器的最小導(dǎo)通時(shí)間 100ns ，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工況。

那么，基于 Ton,min = 100ns 反向計(jì)算輸出電壓可得 Vout = Ton,min * Fsw * Vin = 100ns * 2200kHz * 5.0V = 1.100V，在忽略計(jì)算誤差的情況下，剛好就是前文提到的“實(shí)際輸出電壓1.111V”。

以上就是基于ADP2389ACPZ-R7器件在Fsw = 2200kHz頻率下無(wú)法實(shí)現(xiàn)從Vin = 5.0V到Vout = 1.0V的原因。所以說(shuō)，降壓控制器或轉(zhuǎn)換器廠商宣稱支持的開(kāi)關(guān)頻率，并不能支持所有工況，僅能在特定的工況下支持；換句話說(shuō)，降壓控制器或轉(zhuǎn)換器能夠支持的開(kāi)關(guān)頻率，與具體的工況有關(guān)。

此例中，如果要基于ADP2389ACPZ-R7器件實(shí)現(xiàn)從Vin = 5.0V到Vout = 1.0V，該如何破解呢？

03、破解之道

聰明的讀者已經(jīng)注意到了前文提到的輸出電壓計(jì)算公式 Vout = Ton,min * Fsw * Vin ，由此可見(jiàn)，在最小導(dǎo)通時(shí)間Ton,min 、輸入電壓Vin都不變的情況下，減小Vout的唯一方法就是降低開(kāi)關(guān)頻率Fsw。

如果將開(kāi)關(guān)頻率從2200kHz降低到1600kHz能否實(shí)現(xiàn)？

開(kāi)關(guān)頻率1600kHz對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)周期為625ns，在占空比為0.2的情況下，使用公式(3.96)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間為 Ton = 0.2 * 625ns = 125ns ，是大于ADP2389ACPZ-R7器件最小導(dǎo)通時(shí)間 Ton,min = 100ns的，是可以實(shí)現(xiàn)的。

04、追根溯源

為何會(huì)出現(xiàn)限制輸出電壓與輸入電壓之比（也就是占空比）的最小導(dǎo)通時(shí)間 Ton,min 這個(gè)參數(shù)？

原因在于，許多開(kāi)關(guān)電源控制器或轉(zhuǎn)換器的電感電流是在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)測(cè)量的。測(cè)量到的電流參數(shù)用于過(guò)流保護(hù)，并用于根據(jù)電流閉環(huán)控制原理（電流模式控制）工作的穩(wěn)壓器中。環(huán)路調(diào)節(jié)也需要電流參數(shù)。在開(kāi)關(guān)瞬變后，必須先降低產(chǎn)生的噪音才能進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測(cè)量。這需要一些時(shí)間，也稱為消隱時(shí)間。尤其對(duì)于MHz級(jí)別的極高開(kāi)關(guān)頻率，最小導(dǎo)通時(shí)間的影響也更大。

所以，對(duì)于低占空比，例如降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的高輸入電壓和低輸出電壓，最小導(dǎo)通時(shí)間是關(guān)鍵限制。它通常會(huì)限制支持開(kāi)關(guān)模式電源工作的最大開(kāi)關(guān)頻率。

05、小結(jié)

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1166805/tps54561-supports-a-switching-frequency-range-of-100-khz-to-2-5-mhz

如上所示(復(fù)制到瀏覽器打開(kāi))，TPS54561規(guī)格書中給出的參考設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)際可行的開(kāi)關(guān)頻率是708kHz，綜合效率等其他因素，選擇了開(kāi)關(guān)頻率為400kHz；雖然該器件宣稱能達(dá)到2.5MHz開(kāi)關(guān)頻率，但并不適用于所有應(yīng)用場(chǎng)景，原因即是此文分析...

開(kāi)關(guān)頻率可以決定很多元件或參數(shù)的選型，反過(guò)來(lái)，開(kāi)關(guān)頻率又受很多參數(shù)的限制；一如“權(quán)力與義務(wù)是相互依存、相互促進(jìn)、相互統(tǒng)一的關(guān)系”，開(kāi)關(guān)頻率與其他參數(shù)同理...