在电子电路设计领域，当输入和输出电压接近时，获取稳定的输出电压往往成为一个颇具挑战性的问题。本文聚焦于 DC - DC 开关稳压器功率级设计中的复杂难题，着重探讨功率晶体管和自举电容在其中所扮演的关键角色。我们将通过降压转换器的实例，深入剖析忽视功率晶体管时序规范以及移除自举电容所引发的一系列问题。

功率晶体管有着严格的导通和关断时间要求。这是因为只有满足这些要求，才能确保 FET 栅极电容正确地充电和放电，进而保证晶体管能够完全导通和关断。若设计人员为了追求更快的开关速度而忽略这些要求，就会导致输出不稳定以及开关频率错乱等严重问题。此外，自举电容对于维持晶体管的正常运行至关重要。一旦缺少自举电容，晶体管将无法获得足够的驱动强度，从而无法完全导通。

自举电容的主要作用是维持顶部 N 沟道 MOSFET 的正常运行。从图 1 的橙色高亮部分可以清晰地看到这一点。

图 1.LT8610 数据手册中展示自举电容功能的框图。

当顶部 N 沟道 MOSFET 闭合时，开关节点的电位与输入源大致相同，这使得顶部 MOSFET 的源极电压高于栅极电压（来自栅极驱动器）。由于 NMOS 需要高于其阈值电压的正栅源电压才能导通，因此自举电容的存在就显得尤为重要，它能确保栅极电压始终高于源极电压。

在实际设计中，有些设计人员可能会为了缩减 BOM 尺寸和成本，或者仅仅是疏忽，而省略自举电容。然而，这种做法会带来严重的负面影响。因为自举电容是帮助芯片为顶部 FET 的栅极提供足够电压以使其完全导通的关键元件。若顶部 FET 未完全导通，器件将无法调节输出电压，FET 会在线性区域内工作，消耗大量功率并使芯片升温。解决这一问题的方法是添加自举电容。若设计人员不确定电容的具体大小，可在数据手册示例中选择接近其应用的值。添加自举电容后，顶部栅极驱动器就能获得足够的驱动强度，使 FET 处于饱和区并充当开关，向 SW 节点提供全部输入电压。

图 2. 无自举电容的开关节点。

图 3. 带自举电容的开关节点。

在开关频率的选择上，设计人员常常倾向于较高的开关频率，以减小电路板尺寸。但这样做会导致开关损耗增加，能效比降低。当器件具有高频率和高降压比时，占空比会被迫变小，甚至可能降至占空比值以下。开关转换器有规定的导通时间值，设计人员必须严格遵守该值，因为 FET 无法瞬间完成切换。当指定的开关频率过高以及降压比过大时，导通时间会被迫低于值。此时，电感电流在一个周期内的放电速度将比充电速度更快，新周期开始时起点低于前几个周期的起点，这种现象被称为电流降。终，电流和输出电压都会下降到很低的程度，器件内部会产生更大的占空比（具有更长的导通时间）来调节输出电压。电感电流纹波的下降也会在转换器的输出电压中体现出来，使输出电压纹波变得更加嘈杂，影响敏感负载并降低 EMI 性能。解决这一问题的简单方法是降低开关频率，但代价是需要更大的功率级元件，主要是更大的电感。

图 4. 违反导通时间的电流波形。

图 5. 违反导通时间的输出波形。

图 6. 稳定的电流纹波

图 7. 稳定的输出纹波。

某些应用可能需要较小的降压比，这可能会违反转换器的关断时间规范。tmin - off 是 tmin - on 的补充，定义为电感未由输入源充电的短时间。当要求的占空比大于允许的占空比时，就会违反关断时间规范。此时，SMPS 将折返其配置的频率，以避免违反该规范。随着负载增加，器件频率会折返以保持恒定的输出电压，但当负载达到一定程度时，器件无法在保持输出电压的同时将频率降低到指定的反馈频率以下，输出电压就会开始下降。解决这个问题相对复杂，设计人员通常需要满足特定的输入电压和输出电压要求，无法随意更改占空比来延长关断时间。若能提供更大的输入电压，器件将以设定的频率工作。与导通时间相反，降低频率在一定负载以下才起作用。若无法充分降低开关频率以避免违反关断时间规范，理想的做法是选择另一种能够处理更高占空比和更短导通时间的器件。

图 8. 违反关断时间的电流波形。频率折返至 335kHz。

图 9. 负载调整和折返频率。随着负载增大，频率会折返以维持稳定的输出电压。

图 10. 未违反关断时间的电流波形。设定频率为 2MHz。