|
同步BUCK降压变化器是应用非常广泛的一种电源结构，其工作频率由早期的低于100KHz，提高到200KHz、300KHz、350KHz、500KHz、1MHz，甚至更高，工作频率的提高带来的好处是电源系统的体积降低，但是，缺点就是开关损耗会增加。 功率MOSFET在进一步减小导通电阻、降低导通损耗的同时，也要降低相应的寄生电容值，以降低开关损耗。开关电源系统高频高效的设计要求，也促使功率MOSFET内部结构不断优化，技术平台不断进步。 寄生电容降低，导致BUCK变化器上管开关速度越来越快。上管的开关速度越快，开关损耗越低，但是，也会产生以下问题： （1）上管开通速度太快，开关节点的电压尖峰过高，会影响下管长期工作的可靠性； （2）上管开通速度太快，开关节点的电压变化率dV/dt过大，会产生EMI的问题；同时，会在下管的栅极耦合感应出电压，导致下管误开通。 （3）上管关断速度太快，开关节点负压尖峰过高，对PWM IC驱动部分或驱动IC产生问题，如输入信号逻辑错误，内部ESD等保护器件因为过电流而发生损坏；同时还会导致上管发生过压，影响上管长期工作的可靠性。 开关节点是上、下管以及输出电感的连接点，在系统PCB板上，对应着一块区域，包括上管的源极S、下管的漏极D、输出电感的管脚SW以及连接这些点的PCB的铜皮。 BUCK变换器开关节点的电压尖峰、电压变化率dV/dt、下管的栅极耦合感应电压，和上管的开通速度、下管寄生体二极管的反向恢复特性，以及它们组成的环路都直接相关。 BUCK变化器在实际设计过程中，需要对系统效率、开关节点电压的正向过冲、负向过冲、下管栅极耦合感应电压等因素进行综合考虑，折衷平衡，设计出满足要求的系统。 包含相关寄生元件的BUCK变化器的原理图，如图1所示。图1中，功率MOSFET方框内为其内部的寄生元件，包括封装的寄生电感。主功率回路在PCB板上对应的寄生电感，分别如图1、图2所示。 图1中，包括上管漏极D到输入电容的寄生电感，上管源极S到输出电感的寄生电感，上管栅极G到IC驱动输出的寄生电感，上管源极S到其IC驱动返回端的寄生电感；下管漏极D到输出电感的寄生电感，下管源极S到输入电容负（地）端的寄生电感，下管栅极G到IC驱动输出的寄生电感，下管源极S到其IC驱动返回端的寄生电感。
图1：BUCK变化器原理图
图2：BUCK变化器主功率回路 为了平衡上述设计因素，实际应用过程中，通常要对上管的开关速度进行调整，降低上管开通速度，有下面几种方法。 1、增加上管栅极外部串联驱动电阻RG-H1
图3：上管栅极外加串联驱动电阻 这种方法会同时降低上管的开通、关断速度，增加开关损耗，这也是工程师经常采用的一种方法。 用二极管串联较低阻值的电阻，和RG-H1并联，如图4所示，分别调整开通和关断的速度，使开通速度变慢，关断速度较快，这种驱动电路在ACDC电源系统中经常使用；但是，在Buck变换器中很少采用这种电路，主要的原因是：Buck变换器工作频率高，使用的RG-H1值非常小，不超过5欧姆。 在上管的栅极G、源极S或上管栅极G、漏极D，外加电容，如图5所示，也可以调整开关速度，这种方法产生过大的开关损耗，在Buck变换器中也很少采用这种电路。一些负载开关、热插拔电路，以及电机驱动的应用中，经常采用这样方式，限制浪涌电流，或限制过压尖峰。
图4：使用二极管分别调整开通和关断速度
图5：外加电容调整开关速度 2、上管自举驱动电路外接串联电阻 上管自举驱动电路外加串联电阻的方法，如图6所示，在自举电路中，串联一个电阻RB，就可以降低上管开通的速度；同时，RB不在上管关断的回路中，可以较快的关断上管，不影响关断损耗。 高频的BUCK变换器也经常采用这种方式，它的优点是：降低上管的开通的速度，不影响上管的关断速度。上管开通回路、关断回路的驱动电流路径，如图7、图8所示。
图6：上管自举驱动电路外加串联电阻
图7：上管开通回路
图8：上管关断回路 3、增加上管源极外部串联的PCB引线电感 为了提高开关速度，降低栅极的振荡，电源工程师通常尽可能减小驱动环路，驱动回路的返回端，也是尽可能连接到功率MOSFET的源极S管脚，如图3所示。 如果把上管驱动回路返回端连接到输出电感的管脚，或者直接连接到下管漏极D管脚，这样就增加了上管源极外部串联的PCB引线电感，从而降低上管的开关速度。
这种方法的优点是：不增加额外的元件，只对上管开关过程中di/dt变化的阶段起作用，对于开关过程中di/dt不发生明显变化的dV/dt阶段不起作用，这样，其对于开关损耗的影响，远小于直接增加栅极外部串联电阻的方式，同时，可以明显的降低开关节点的尖峰电压，减少元件的数量。 设计的技巧就是：不同型号的上管和下管，引入多少的PCB引线电感，需要进行具体优化。图8、图9给出了上管驱动回路在源极S引入不同的PCB引线电感的几种走线方式。 图9：上管驱动回路增加引线电感 图10：上管驱动回路增加引线电感的PCB布线 |
|
|
