电子丨导通占空比

在DC-DC转换器（如Buck、Boost等开关电源）中，导通占空比（Duty Cycle） 是一个核心概念，直接决定了输出电压与输入电压的关系。它的定义和工作原理如下：

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1. 基本定义

导通占空比（D） 是指在一个开关周期内，开关管（如MOSFET）导通时间占总周期的比例，用公式表示为：

\[D = \frac{T_{on}}{T_{on} + T_{off}} = \frac{T_{on}}{T_{total}} \]

• \(T_{on}\)：开关管导通时间
• \(T_{off}\)：开关管关断时间
• \(T_{total}\)：开关周期（即 \(1/f_{sw}\)，\(f_{sw}\)为开关频率）

单位：通常用百分比（%）或小数表示（例如50%或0.5）。

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2. 占空比如何影响DC-DC输出电压？

不同拓扑的DC-DC电路中，占空比与输入/输出电压的关系如下：

拓扑类型	输入-输出关系公式	占空比范围	说明
Buck（降压）	\(V_{out} = D \cdot V_{in}\)	\(0 < D < 1\)	输入必须 > 输出（D越小，输出越低）
Boost（升压）	\(V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D}\)	\(0 < D < 1\)	输入必须 < 输出（D越大，输出越高）
Buck-Boost（升降压）	\(V_{out} = -\frac{D}{1-D} \cdot V_{in}\)	\(0 < D < 1\)	输出极性相反，可升/降压

举例说明：

• Buck电路：若 \(V_{in}=12V\)，需要 \(V_{out}=5V\)，则 \(D = 5/12 ≈ 0.42\)（即占空比42%）。
• Boost电路：若 \(V_{in}=5V\)，需要 \(V_{out}=12V\)，则 \(D = 1 - 5/12 ≈ 0.58\)（即占空比58%）。

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3. 占空比的物理意义

• 能量传递控制：占空比调节开关管的导通时间，从而控制电感储能和释放能量的比例。
  • Buck电路：占空比越小 → 电感充电时间越短 → 输出电压越低。
  • Boost电路：占空比越大 → 电感储能时间越长 → 输出电压越高。
• 效率与损耗：占空比直接影响开关管和电感的损耗（例如Buck电路中，低占空比时开关损耗占比增大）。

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4. 占空比如何生成？

• PWM控制器：DC-DC芯片通过反馈环路（如输出电压采样）动态调整PWM信号的占空比，以稳定输出电压。
  • 反馈机制：若输出电压下降，控制器会增加占空比（Buck）或减少占空比（Boost），反之亦然。

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5. 关键问题解答

Q1：为什么Buck电路的占空比必须小于1？

因为 \(V_{out} = D \cdot V_{in}\)，若 \(D=1\)（开关管一直导通），则 \(V_{out}=V_{in}\)，但实际电路需要留出关断时间让电感释放能量，否则会失去稳压功能。

Q2：占空比能否为0或100%？

• D=0%：开关管一直关闭，无能量传递（输出为0）。
• D=100%：开关管一直导通（仅对Buck可能，但会失去开关电源的意义，且可能损坏电路）。

Q3：如何测量占空比？

用示波器观察开关管控制极（如MOSFET的Gate脚）的PWM信号，测量高电平时间占总周期的比例。

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6. 实际设计中的注意事项

1. 最小/最大占空比限制：
   • 某些DC-DC芯片的占空比范围受限（例如最低10%，最高90%），需查阅数据手册。
2. 开关频率选择：
   • 高频（如1MHz）可减小电感/电容体积，但会增加开关损耗。
3. 同步整流：
   • 现代DC-DC常用同步MOSFET替代二极管，进一步优化占空比对效率的影响。

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总结

占空比是开关电源的“调控杠杆”，通过精确控制开关管的通断时间比例，实现电压转换。理解它与拓扑结构的关系，是设计高效、稳定电源的基础。