摘 要：本文主要探讨了降压型转换器应用于汽车电子系统时的设计技巧。文中详细讨论了在最小稳态输入电压时如何选取最大占空比，以及在最大稳态输入电压时如何选取最小占空比的方法。还讨论了最大瞬态输入电压的产生原因以及抑止最大瞬态输入电压的方法。最后介绍了计算系统功耗的方法和芯片散热设计的注意事项。
关键词：降压型转换器；稳态输入电压；瞬态输入电压；占空比
目前，高频、高效的dc/dc转换器在汽车电子系统中的应用越来越多。高的开关频率可以使用较小的功率电感和输出滤波电容，从而减小系统的体积、提高紧凑性并降低成本；高工作效率可以延长汽车电池的使用时间，降低系统功耗，从而减小发热量，优化系统的热设计，并进一步提高可靠性。但高开关频率会降低系统的工作效率，因此，设计时必须在开关频率和工作效率之间作一些折衷处理。本文主要针对降压型dc/dc转换器在汽车电子系统中的应用，探讨包括上述问题在内的一些设计技巧和注意事项，而且，这些问题往往是工程设计容易忽略的细节。
实际的最小及
最大输入工作电压
开关频率
开关频率必须在效率、元件尺寸、最小输入与输出电压差、最大输入电压之间进行折衷处理。高开关频率可以减小电感和电容的值，因此，可以使用具有较小体积的电感和电容，还可降低成本。但高的开关频率会降低效率，降低实际的最大工作输入电压，并要求更高的输入/输出电压差。
最高的开关频率可以由下式计算：
(1)
其中：fs(max)为最大的开关频率，ton(min)为开关管要求的最小导通时间，vd为续流二极管的正向压降，vout为输出电压，vin为正常工作的输入电压，vds(on)为开关管的导通压降。
上式表明： ton(min)一定时，低占空比要求更低的开关频率才能保证系统安全的操作。同样，低开关频率允许更低的输入/输出电压差。
输入电压依赖于开关频率的主要原因在于pwm控制器具有最小的导通时间 ton(min)和截止时间 toff(min)。如果取值为150ns，即开关管开通时导通时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致mosfet无法正常开启；同样，开关管关断时截止时间至少要持续150ns，低于150ns可能导致mosfet无法正常关断。这意味着最小和最大占空比为：
(2)
(3)
上式表明：开关频率降低时，占空比的范围增加，优化的开关频率必须保证系统具有足够的输入工作电压范围，同时使电感和电容尽量小。
实际的最大输入工作电压
通常，芯片的输入电压有额定的工作电压范围，除了额定工作电压的限制，实际的输入电压还受到其它一些条件的限制。最小的实际输入工作电压通常由最大的占空比决定。降压转换器的占空比为:
(4)
在输入电压最高时，占空比最小。最大的实际输入工作电压由pwm控制器的最小占空比决定:
(5)
如果输出在启动或短路的工作条件下,输入的电压必须低于以下的计算结果:
(6)
由此可知：低的开关频率可以在更高的输入电压下安全工作。 ton(min)是每个控制器能够接通高端mosfet的最短持续时间。它由内部定时延迟以及接通高端mosfet所需要的栅极电荷量决定。低占空比的应用可以接近该最短导通时间限制，并应注意确保：
(7)
如果输出电压处于调节状态，系统也不是启动和短路状态，输入电压大于允许的实际最大输入工作电压时，系统仍然可以工作，而与工作频率无关。在这种情况下，占空比降到最短接通时间能调节的水平以下，控制器将开始进入跳脉冲工作方式，即一些脉冲将被跳掉，以维持输出电压的调节，此时，输出的电压和电流纹波比正常工作状态时输出的电压和电流纹波大。
通常，当峰值检测电压下降时，每个控制器的最短接通时间将逐步增加。如在轻负载条件下，最短接通时间将逐步增加，在具有低纹波电流的强制连续操作应用中，这一点特别重要。在这种情况下，占空比降至最短接通时间限制以下，就会发生明显的跳脉冲现象，电流和电压的纹波会明显增加。另外，电感的饱和电流通常取输出电流的1.3倍以上。对于一些恶劣的工作条件，如启动和输出短路以及高输入电压，电感的饱和电流必须取更大的值，以保证系统安全的工作。
通常，开关频率是固定的，但是一些使用外部电阻设置开关频率的同步降压转换器可以加一个稳压管z1和限流电阻r1，用以在输入电压增加时降低开关频率，从而扩大输入电压的范围，如图1所示。
在高输入电压下，由于频率降低，而电感值又一定，所以输出的电流和电压纹波增加。频率在较宽的范围内变化，电感无法优化地工作，环路的补偿无法优化。可通过增加稳压管z2和限流电阻r2来设定系统的最低工作频率，从而限制频率变化的范围。

图1 高输入电压时的降频工作电路
实际的最小输入工作电压
在输入电压最低时，占空比最大。使用同步降压转换器，最小的实际输入工作电压由pwm控制器的最大占空比决定:
(8)
最小工作电压与最小截止时间的关系为：
(9)
由上式可知：toff(min)一定时，高开关频率将增加实际的最小输入工作电