何時以及如何為降壓控制器提供外部偏置 - 第 1 部分

1、前言

在多軌系統(tǒng)中，系統(tǒng)設(shè)計人員通常必須選擇降壓控制器的輸入軌的接入位置。通常它來自 12V 或 24V 電源軌，但在某些情況下它來自 5V 或 3.3V 電源軌。我將在分為兩個部分，來討論提供外部偏置的必要性及其好處。

好吧，這歸結(jié)為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 曲線和在最佳位置運(yùn)行 MOSFET，它還取決于輸入電壓的性能。其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場電壓)控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗。大多數(shù)控制器設(shè)計用于 5V 或 12V 電源軌，但在許多情況下，系統(tǒng)設(shè)計人員在較低電壓軌中可以使用相同的控制器。

2、如何提高效率

如果我們查看這些控制器的數(shù)據(jù)表，V IN范圍檢查正常，但是在 3.3V 下運(yùn)行時，我們真的獲得了最佳性能或最高效率嗎？

我們以 TI 的 LM27403 為例。圖 1 顯示了數(shù)據(jù)表中的適用信息。

圖 1：LM27403 V IN范圍

最小 V IN為 3V，因此它通過了與 3.3V 軌一起使用的健全性檢查?，F(xiàn)在，讓我們看看 LM27403 的框圖，如圖 2 所示。

2：LM27403 框圖

圖 2 中的 VDD 為低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動器供電。低側(cè)驅(qū)動器的電源為 VDD，高側(cè)驅(qū)動器的電源為 C BOOT，也稱為 VDD-Dboot。這意味著低側(cè) FET 的柵極驅(qū)動電壓為 3.3V，而高側(cè) FET 的電壓為 3.3V 減去自舉二極管壓降。

當(dāng)我們的輸出電流需求高于 5A 時，我們通常會希望使用控制器。拿15A申請；表 1 列出了一些隨機(jī)的 FET 選擇。

表 1：15A 設(shè)計的一些 FET 選擇

參考表 1 和圖 3，我們可以看到數(shù)據(jù)表中的 I D max 和 Rdson 規(guī)格列在 3.3V 下工作時可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)?？紤]到 10% 的容差，檢查 3V 的 FET 曲線（在圖 3 中）和表 1 中 Vgs=3V 列中 Id 中的漏極電流。這是一個重要參數(shù)，它告訴我們 FET 是否可以在V IN = 3.3V。例如，NTMFS4834N將不支持，即使它具有低的Rdson號碼（見我一個15A應(yīng)用d在圖3中在V gs = 3V能力）。如果我們向 LM27403 的 VDD 引腳提供 5V 電壓，那么這個 FET 就可以了。但是使用不是為 3.3V 應(yīng)用設(shè)計的 FET 會影響三件事：

· FET 將不支持該電流，高 Vds 壓降會導(dǎo)致高功耗甚至損壞器件。

· 由于 Rdson 在 3Vgs 時急劇增加，效率將低于預(yù)期。

· 如果控制器使用 Rdson 檢測電流限制，則電流限制可能無法正常工作。

3.3V 輸入電壓/15A 設(shè)計的好選擇 3.3V 輸入電壓/15A 設(shè)計的壞選擇

圖 3：FET 曲線顯示了不同柵極電壓下I D與 V DS 的關(guān)系

表 1 表明所有 FET 都可以在 Vgs = 5V 下使用。

談到 MOSFET 數(shù)據(jù)表，CSD17304Q3 和 CSD17309Q3 數(shù)據(jù)表顯示了我最喜歡的格式，描繪了較低 Vgs 水平的曲線。圖 4 顯示了下降到 2.5V Vgs 電平的曲線。感謝執(zhí)行此操作的應(yīng)用程序團(tuán)隊。

圖 4：來自 CSD17309Q3 數(shù)據(jù)表的 FET 曲線

對于 3.3V 電源軌，我們實(shí)際上如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)？這使我想到了我在本文開頭提出的問題；何時為控制器使用外部偏置。

在某些情況下，外部偏差被用作提高效率的措施。在其他情況下，外部偏置使 FET 支持電流變得可行。  

圖 5 和圖 6 顯示了具有不同 FET 的不同 VDD 配置的效率改進(jìn)。

偏置調(diào)節(jié)器應(yīng)該能夠提供多少電流？它應(yīng)該能夠提供非開關(guān)靜態(tài)電流加上平均柵極驅(qū)動電流 (Ibias)。我們可以使用公式 1 來計算：

(QG FET 控制 + Qg 同步 FET) * Fsw (1)

以 CSD87350Q5D 為例，Ibias = 30nc * 250kHz = 7.5mA。

圖 5：LM27403 和 BSC032NE2LS/BSC010NE2LS 的效率曲線，具有內(nèi)部和外部偏置

圖 6：LM27403 和 NTMFS4834 的效率曲線，具有內(nèi)部和外部偏置

圖 7 顯示了直流偏置對開關(guān)波形的影響，直流偏置的上升時間很快。

圖 7：帶有和不帶有直流偏置的開關(guān)波形

因此，如我們所見，在使用 3.3V 電源軌運(yùn)行的控制器設(shè)計中，我們必須特別注意 FET 的選擇。通過配對正確的 FET，我們可以獲得最佳性能的無故障設(shè)計；通過使用靈活應(yīng)用外部偏置的器件，我們可以優(yōu)化設(shè)計以實(shí)現(xiàn)成本和最高效率。