Part 01 前言
一個(gè)普遍的認(rèn)知是，BUCK電路的輸出電壓Vout必然低于輸入電壓Vin。但這是否意味著，只要Vout低于Vin，我們就可以任意設(shè)置輸出電壓呢？
答案是否定的。事實(shí)上，BUCK芯片的最大可輸出電壓受到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的嚴(yán)格限制，絕非簡單地低于輸入電壓即可。一個(gè)不恰當(dāng)?shù)妮敵鲭妷涸O(shè)置，輕則導(dǎo)致電源無法正常啟動(dòng)或穩(wěn)壓，重則可能永久性損壞芯片。
Part 02 BUCK芯片最大輸出電壓評估
BUCK電路的核心工作原理可以簡化為公式：Vout = Vin × D，其中D為開關(guān)周期中高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通占空比。
從理論上看，如果占空比D可以達(dá)到100%，即高側(cè)MOSFET始終保持導(dǎo)通，那么Vout就等于Vin。目前已經(jīng)有占空比達(dá)到100%的BUCK芯片了， 接下來的分析主要針對不支持占空比達(dá)到100%的常規(guī)BUCK芯片，常規(guī)BUCK芯片需要一個(gè)最小關(guān)斷時(shí)間來維持自身的正常工作。
這個(gè)必須關(guān)斷的時(shí)間主要用于完成兩件至關(guān)重要的事：
自舉電容Bootstrap Capacitor充電：為了驅(qū)動(dòng)高側(cè)的N溝道MOSFET，需要一個(gè)比開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW電壓更高的懸浮電壓。這個(gè)電壓由自舉電容提供。而這個(gè)電容的充電，必須在低側(cè)MOSFET導(dǎo)通，即高側(cè)MOSFET關(guān)斷時(shí)才能完成。如果高側(cè)一直不關(guān)斷，自舉電容的電荷會(huì)耗盡，導(dǎo)致高側(cè)MOSFET無法維持導(dǎo)通，整個(gè)電路失效。
電流采樣與處理：許多BUCK芯片利用低側(cè)MOSFET導(dǎo)通期間來檢測電感電流，也就是谷值電流檢測模式，執(zhí)行內(nèi)部邏輯的復(fù)位和準(zhǔn)備。這些操作同樣需要一段最短的執(zhí)行時(shí)間。
因此，這個(gè)不可避免的toff_min，從根本上限制了占空比的最大值，進(jìn)而限制了輸出電壓的上限。
如何確定最大輸出電壓？兩種核心計(jì)算方法
既然知道了限制的根源，我們就可以通過兩種核心方法來量化計(jì)算出BUCK芯片在特定輸入電壓和工作頻率下的最大輸出電壓。
方法一：查閱數(shù)據(jù)手冊中的最大占空比（Dmax）
哈哈，這是最直接、最簡單的方法。許多芯片制造商會(huì)在數(shù)據(jù)手冊中明確標(biāo)注出芯片能夠支持的最大占空比，這個(gè)值通常在90%到98%之間。
拿到這個(gè)參數(shù)后，最大輸出電壓的計(jì)算非常簡單：
Vout_max = Vin × Dmax
舉個(gè)例子，一款BUCK芯片的數(shù)據(jù)手冊標(biāo)明其Dmax為95%。當(dāng)輸入電壓Vin為24V時(shí)，其理論上能達(dá)到的最大輸出電壓為：
Vout_max = 24V × 95% = 22.8V
方法二：利用最小關(guān)斷時(shí)間toff_min進(jìn)行計(jì)算
如果數(shù)據(jù)手冊中沒有直接給出Dmax，通常會(huì)提供toff_min這個(gè)參數(shù)。我們可以利用它來計(jì)算出Dmax。
首先，一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間T = 1 / fsw （fsw為開關(guān)頻率）。
最大導(dǎo)通時(shí)間ton_max = T - toff_min。
因此，最大占空比 Dmax = ton_max / T = (T - toff_min) / T = 1 - (toff_min / T)。
將 T = 1 / fsw 代入，得到：
Dmax = 1 - (toff_min × fsw)
進(jìn)而得到最大輸出電壓的計(jì)算公式：
Vout_max = Vin × (1 - toff_min × fsw)
從這個(gè)計(jì)算可以看出，開關(guān)頻率越高，Dmax越小，最大可輸出電壓也越低，這是設(shè)計(jì)高頻BUCK電路時(shí)必須注意的權(quán)衡。
最后給大家提個(gè)醒，無論你的計(jì)算結(jié)果如何，最終確定的輸出電壓絕對不能超過數(shù)據(jù)手冊推薦工作條件中規(guī)定的最大輸出電壓值。強(qiáng)行超出該范圍，即使占空比支持，也極有可能導(dǎo)致芯片原地冒煙。