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。
我們分別研究了準(zhǔn)諧振和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的電路圖和框圖。準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器電路圖看起來與反激式轉(zhuǎn)換器非常相似,只是有一個檢測電路來幫助確定電壓最小值的時序。
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