使用 30V 柵極驅(qū)動(dòng)器管理電源噪聲

1.前言

世界是一個(gè)嘈雜的地方——電源也不例外。為了追求更高的效率，電源轉(zhuǎn)換器以越來(lái)越快的速度切換會(huì)產(chǎn)生意想不到的問題，包括增加系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)和噪聲的敏感性。在選擇如何設(shè)計(jì)電源以及使用哪些組件來(lái)設(shè)計(jì)電源時(shí)，考慮到這種敏感性很重要。

2.噪音從何而來(lái)？

瞬變和噪聲從何而來(lái)？除了在許多電氣系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的一般噪聲外，高頻電源本身通常最終會(huì)產(chǎn)生它們?？匆幌聢D 1，它顯示了一個(gè)控制器和一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。

圖 1：瞬態(tài)電流 (di/dt) 對(duì)電源轉(zhuǎn)換器中柵極驅(qū)動(dòng)器輸入的影響

當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器打開和關(guān)閉 FET 時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)和噪聲。寄生跡線電感和 MOSFET 的源極電感與當(dāng)今電源的快速開關(guān)相結(jié)合，可能會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路 (IC) 出現(xiàn)接地反彈的情況。接地反彈是指系統(tǒng)的寄生電感導(dǎo)致 IC 的接地偏離系統(tǒng)接地。IC 會(huì)將 0-V 信號(hào)記錄為負(fù)電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞或錯(cuò)誤的邏輯輸出。

接地反彈不僅是輸入的一個(gè)可能問題，而且許多現(xiàn)代電源的高開關(guān)速度也會(huì)引入負(fù)電壓瞬變。再看圖 1，開關(guān)期間與寄生電感 (L SS )成比例的大 di/dt 會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰 (V n )。這些負(fù)瞬變與寄生電感和頻率成正比，因此隨著開關(guān)頻率的增加，它們變得更加麻煩。

驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓瞬變也會(huì)引起問題。電源輸出負(fù)載變化是電壓瞬變的最常見原因。如果這些瞬變超過柵極驅(qū)動(dòng)器的最大電壓，它們最終可能會(huì)損壞器件。瞬變產(chǎn)生的噪聲甚至可能導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器改變其輸出而不管控制信號(hào)如何，如圖 2 所示。

圖 2：驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出噪聲的響應(yīng)

3.現(xiàn)有的解決方案

我們可以做些什么來(lái)解決這些瞬變以及其他噪聲？首先，花時(shí)間確保正確的電路板布局很重要。將驅(qū)動(dòng)器放置在盡可能靠近開關(guān)的位置將有助于減少寄生電感。但是，這樣做不會(huì)使問題消失；它只會(huì)使它更易于管理。過去，對(duì)可能對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入或輸出造成損壞的瞬變的常見解決方案是添加鉗位二極管以將電壓保持在特定水平之上或之下。圖 3 顯示了如何放置這些二極管的示例。

圖 3：柵極驅(qū)動(dòng)器輸入和輸出上的鉗位二極管

輸入端的二極管將輸入信號(hào)保持在地電位以上，而輸出端的二極管保持低于電源電壓 (V DD ) 的電壓。雖然有效，但這是一種成本高昂的解決方案，需要為電源添加多達(dá)六個(gè)額外組件。這些二極管不僅增加了系統(tǒng)的整體價(jià)格，而且占用了電路板上的寶貴空間。

4.在電源設(shè)計(jì)中使用 30V 柵極驅(qū)動(dòng)器

TI 的 UCC27614 和 UCC27624 等較新的柵極驅(qū)動(dòng)器可以處理當(dāng)今高頻電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲和瞬態(tài)。這些驅(qū)動(dòng)器提供 –10V 負(fù)電壓處理能力，這意味著它們無(wú)需外部組件即可承受由接地反彈或由輸入瞬變引起的負(fù)電壓尖峰帶來(lái)的負(fù)電壓偏移。這些驅(qū)動(dòng)器不僅能夠處理比許多低側(cè)驅(qū)動(dòng)器更低的電壓，它們還具有 30V 的最大 V DD。這是一個(gè)重要的規(guī)格，因?yàn)槿绻麞艠O驅(qū)動(dòng)器有足夠的裕量，它可以處理其輸出上的噪聲和瞬變，而無(wú)需鉗位二極管將輸出電壓保持在 V DD以下。

圖 4 顯示了 30-V UCC27624 和 20-VV DD柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出高頻噪聲的反應(yīng)方式的差異。

圖 4：驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出噪聲的響應(yīng)

在這種情況下，20-VV DD驅(qū)動(dòng)器會(huì)因噪聲而出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，而UCC27624的較高 V DD可在不添加外部組件的情況下消除錯(cuò)誤。

5.結(jié)論

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電源將繼續(xù)向越來(lái)越高的頻率發(fā)展，以尋求更高的效率，并且瞬態(tài)將隨著頻率繼續(xù)增長(zhǎng)。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，請(qǐng)記住不要在系統(tǒng)中添加額外的組件來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，而是從具有電壓范圍、負(fù)電壓處理和反向電流能力的驅(qū)動(dòng)器開始，以解決系統(tǒng)中的瞬態(tài)問題。