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[導(dǎo)讀]同步BUCK降壓變化器開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的電壓波形VSW如圖1所示,Vin=19V,Vo=1V,fsw=900k,L=250nH,在保證測量方法正確的前提下,可以發(fā)現(xiàn),開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓VSW的下降沿,會出現(xiàn)負(fù)壓尖峰,圖1中的負(fù)壓尖峰為-6.9V。?圖1:同步BUCK變化器工作波形?功率M...

同步BUCK降壓變化器開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的電壓波形VSW如圖1所示,Vin=19V,Vo=1V,fsw=900k,L=250nH,在保證測量方法正確的前提下,可以發(fā)現(xiàn),開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓VSW的下降沿,會出現(xiàn)負(fù)壓尖峰,圖1中的負(fù)壓尖峰為-6.9V。


?圖1:同步BUCK變化器工作波形

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功率MOSFET包含PCB布線或鋪銅的寄生電感的參數(shù)模型如圖2所示,其中,TH,TL分別為BUCK變換器的上管和下管,LD-L1為下管漏極D管腳到輸出電感的引線電感,LS-L1、 LS-L2為下管源極S管腳到輸入電容負(fù)端的引線電感。

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圖2:BUCK變換器上、下管參數(shù)模型

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開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓尖峰其產(chǎn)生的原因在于:上管關(guān)斷、下管開通的過程中,上管的電流逐漸減小,下管的電流逐漸增加,那么,下管及其回路的寄生電感,會阻止其電流的增加,產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的方向?yàn)?span>上負(fù)下正,于是,測量的開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓,就出現(xiàn)了負(fù)電壓。


(a)下管寄生電感感應(yīng)電壓方向

(b)整個回路寄生電感感應(yīng)電壓方向

圖3:開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓的產(chǎn)生

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開關(guān)節(jié)點(diǎn)的負(fù)壓尖峰,與下管回路的總體寄生電感LTL、上管開通的di/dt直接相關(guān),LTL、di/dt越大,開關(guān)節(jié)點(diǎn)的負(fù)壓尖峰越大:

-VSW= LTL*di/dt

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通常測量開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓時(shí),示波器的探頭地,會放在下管的源極S管腳。在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中,PWM或驅(qū)動IC的地,通常連結(jié)到輸入大電容的地端,如果示波器的探頭地,放在輸入電容的地端,這個回路的電感更大,測量到的負(fù)壓尖峰會更大。

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PWM或驅(qū)動IC內(nèi)部,上、下管驅(qū)動輸出端,有許多保護(hù)的ESD二極管,內(nèi)部的等效電路如圖4所示。其中,DL1、DL2、DL3為下驅(qū)動器的VCC、輸出Lo的保護(hù)ESD二極管,DH1、DH2、DH3為上驅(qū)動的VB、輸出Ho的ESD保護(hù)二極管,D1為芯片自舉驅(qū)動最高的電壓點(diǎn)VB的ESD保護(hù)二極管。

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圖4:IC內(nèi)部驅(qū)動輸出端ESD保護(hù)

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如果上管關(guān)斷速度太快、回路寄生電感過大,開關(guān)節(jié)點(diǎn)VSW的瞬態(tài)負(fù)壓過大,導(dǎo)致上管發(fā)生過壓而產(chǎn)生雪崩,影響上管長期工作的可靠性,同時(shí)還會導(dǎo)致以下問題;

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1、在下管開通的狀態(tài)下,上管應(yīng)該是關(guān)斷的,驅(qū)動器的輸入端應(yīng)該是低電平,由于輸入端拉低不是理想的0阻值,而是具有一定的阻抗,VSW的負(fù)壓就有可能將上驅(qū)動器的輸入信號的電平拉高,輸入信號邏輯錯誤導(dǎo)致上驅(qū)動器誤觸發(fā)輸出高電平,上、下管直通發(fā)生短路。

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2、自舉電容CB的電壓過沖,極端條件下,過高的電壓導(dǎo)致DH1發(fā)生損壞,由IC內(nèi)部DH1保護(hù)二極管的最大功率決定。在一些設(shè)計(jì)中,為了提高ESD保護(hù)的功率,會采用SCR晶閘管結(jié)構(gòu),在大的工作電流下,會發(fā)生閂鎖效應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。


圖5:VSW負(fù)壓導(dǎo)致自舉電容過充

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3、如果VSW的瞬態(tài)負(fù)壓更大,導(dǎo)致VB也瞬態(tài)產(chǎn)生負(fù)壓,如圖6所示,D1導(dǎo)通,流過大的正向電流,因?yàn)檫^功率而發(fā)生損壞,如圖6所示;同樣,為了提高ESD保護(hù)的功率,如果D1采用SCR晶閘管結(jié)構(gòu),在大的工作電流下,也會發(fā)生閂鎖效應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作,或者輸出邏輯發(fā)生紊亂,導(dǎo)致上、下管直通發(fā)生短路。


?圖6:VSW負(fù)壓導(dǎo)致自舉保護(hù)ESD導(dǎo)通

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為了降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的負(fù)壓尖峰,除了在PCB布局上盡可能減少回路的寄生電感外,可以采用以下方法:


1、降低上管的關(guān)斷速度


降低上管的關(guān)斷速度,降低di/dt,減小負(fù)壓的尖峰,從而降低負(fù)壓電流。上管的關(guān)斷速度降低,上管的關(guān)斷損耗會變大,因此,需要在二種之間做一些折衷處理。

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降低上管的關(guān)斷速度,有下面幾種方法進(jìn)行調(diào)整:

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(1)增加上管柵極外部串聯(lián)驅(qū)動電阻RG-H1

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(2)上管自舉驅(qū)動電路VB和CB之間外加串聯(lián)電阻

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(3)增加上管源極外部串聯(lián)的PCB引線電感

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以前文章專門紹過,方法三是一種對關(guān)斷損耗、系統(tǒng)效率影響最小的方案,特別是系統(tǒng)高頻工作的條件下。


2、IC的SW管腳和開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)電阻?


如果在PWM或驅(qū)動IC的SW管腳和開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)電阻RSW,如圖7所示,這樣不但可以降低上管的關(guān)斷速度,降低di/dt,減小負(fù)壓的尖峰;同時(shí),由于RSW串聯(lián)在D1以及其他保護(hù)二極管回路中,就可以進(jìn)一步的減小流過D1以及其他保護(hù)二極管的電流,從而避免發(fā)出過流損壞或閂鎖效應(yīng)。


圖7:RSW放在自舉電容CB內(nèi)側(cè)

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RSW放在自舉電容CB的左邊(內(nèi)側(cè)),RSW只降低上管的關(guān)斷速度,不影響其開通速度,如圖7所示。如果RSW放在CB的右邊(外側(cè)),如圖8所示,和串聯(lián)在G柵極一樣,將同時(shí)降低上管關(guān)斷速度和開通速度。但是,串聯(lián)在G柵極的電阻,無法起到減小內(nèi)部的ESD二極管的電流的作用。


圖8:RSW放在自舉電容CB外側(cè)

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3、IC的地端串聯(lián)電阻


PWM或驅(qū)動IC的地端與輸入電容的地端串聯(lián)電阻,同樣可以降低負(fù)壓電流,實(shí)際應(yīng)用中,不推薦這種方式。?


4、IC的SW管腳和地之間并聯(lián)穩(wěn)壓管


PWM或驅(qū)動IC的SW管腳和地之間并聯(lián)穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管要求距離盡可能的靠近管腳,并且響應(yīng)的速度要滿足要求,在實(shí)際的應(yīng)用中,并聯(lián)穩(wěn)壓管并不是總是有效。

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上管柵極外部串聯(lián)不同電阻,測量條件:Vin=19V, Vo=1V, Vdri=12V, fsw=900kHz, L=250nH,測量的VSW負(fù)壓尖峰、效率如圖9、圖10所示,效率曲線中,不包括驅(qū)動和電感的損耗。開關(guān)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)不同電阻,測量的VSW負(fù)壓尖峰如圖11示。


圖9:上管柵極串聯(lián)不同電阻VSW負(fù)壓


圖10:上管柵極串聯(lián)不同電阻的


?圖11:開關(guān)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)不同電阻的VSW負(fù)壓

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