電源設(shè)計(jì)小貼士46：正確地同步降壓 FET 時(shí)序

由于工程師們都在竭盡所能地獲得其電源的最高效率，時(shí)序優(yōu)化正變得越來(lái)越重要。在開(kāi)關(guān)期間，存在兩個(gè)過(guò)渡階段：低壓側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟。

低壓側(cè)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)至關(guān)重要，因?yàn)樵撨^(guò)渡階段幾乎沒(méi)有損耗，也即“無(wú)損開(kāi)啟”。在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)關(guān)閉以后，電感電流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓無(wú)損接地。開(kāi)啟低壓側(cè)開(kāi)關(guān)的最佳時(shí)機(jī)便為過(guò)渡結(jié)束時(shí)。如果在低壓側(cè)開(kāi)啟以前主體二極管短暫導(dǎo)電，則其無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗粫?huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)損耗。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)渡之前，該結(jié)點(diǎn)處的過(guò)剩載流全部耗散。但是，如果電流仍然長(zhǎng)時(shí)間存在于主體二極管內(nèi)，則會(huì)有過(guò)高的傳導(dǎo)損耗。高壓側(cè) FET 開(kāi)啟時(shí)序是最為重要的過(guò)渡。由于同低壓側(cè) FET 存在交叉導(dǎo)通，因此開(kāi)啟過(guò)早會(huì)導(dǎo)致直通損耗;開(kāi)啟過(guò)晚又會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增高，并且會(huì)將過(guò)剩載流注入低壓側(cè) FET 主體二極管內(nèi)(必須對(duì)其進(jìn)行恢復(fù))。不管哪種情況，都會(huì)降低效率。

為了說(shuō)明效率與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間時(shí)序的關(guān)系，我構(gòu)建起了一些具有驅(qū)動(dòng)器信號(hào)可調(diào)節(jié)延遲的電源。之后，我比較了效率與延遲時(shí)間，對(duì)其存在的關(guān)系進(jìn)行了研究。圖 1A-1C 顯示了結(jié)果。

圖 1A 顯示了當(dāng)高壓側(cè) FET 在低壓側(cè) FET 完全關(guān)閉之前開(kāi)啟時(shí)的情況。在低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)中有一個(gè)明顯的更大的Miller 區(qū)域，其低壓側(cè) FET 和高壓側(cè) FET 同時(shí)導(dǎo)通，從而在功率級(jí)中產(chǎn)生直通電流。當(dāng)?shù)蛪簜?cè) FET 最終關(guān)閉時(shí)，在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處存在額外的電壓過(guò)沖。在圖 1B 中，在低壓側(cè) FET 關(guān)閉且主體二極管中形成電流以后，高壓側(cè) FET 才開(kāi)啟。當(dāng)高壓側(cè) FET 開(kāi)啟時(shí)，其恢復(fù)該主體二極管，并且會(huì)有一個(gè)電流峰值讓開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)振鈴。但是，由于所用MOSFET體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間(12 nS)極短，因此這種現(xiàn)象并不明顯。主體二極管速度越慢，振鈴越明顯。圖 1C 擁有最高的電源效率。在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟以前，低壓側(cè)柵極電壓降至接地電壓附近。高壓側(cè)在更低的主體二極管導(dǎo)電以前開(kāi)啟，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴最小化。

圖 1A 先進(jìn)的高壓側(cè)時(shí)序產(chǎn)生直通電流

圖 1B 高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)主體二極管導(dǎo)電

圖 1C 最佳時(shí)序帶來(lái)更高的效率和更低的應(yīng)力

圖 2 顯示了不同柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序情況下 12 伏到 1 伏/15 安培、300 kHz 功率級(jí)的效率曲線。刻度左側(cè)代表高壓側(cè)開(kāi)關(guān)提前開(kāi)啟，如圖 1A 所示。右側(cè)代表一個(gè)經(jīng)過(guò)延遲的高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)(圖 1B)。在左邊，效率急劇下降，原因是功率級(jí)的直通電流損耗。在右邊，效率逐漸下降。

效率逐漸下降的原因有兩個(gè)：來(lái)自低壓側(cè) FET 主體二極管的傳導(dǎo)損耗和反向恢復(fù)損耗。在主體二極管導(dǎo)電期間，主體二極管電壓下降約 0.7伏。方程式 1 表示了主體二極管導(dǎo)電期間的最大電源效率，其大致如下：

方程式 1

如果主體二極管在 3us 時(shí)間中有 50ns 時(shí)間導(dǎo)電，則可對(duì)總效率產(chǎn)生約 1.2% 的影響。就該功率級(jí)而言，反向恢復(fù)損耗微不足道，原因是使用了 12 nS 短反向恢復(fù)時(shí)間的 MOSFET。

圖 2 驅(qū)動(dòng)器時(shí)序可極大影響效率

總之，同步降壓穩(wěn)壓器中正確的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序，對(duì)于最大化效率至關(guān)重要。這種時(shí)序可最小化低壓側(cè) FET 主體二極管導(dǎo)電時(shí)間。高壓側(cè) FET 開(kāi)啟是最為關(guān)鍵的過(guò)渡階段，同時(shí)應(yīng)避免在低壓側(cè)完全關(guān)閉以前開(kāi)啟高壓側(cè) FET。這樣做可以最小化開(kāi)關(guān)損耗，并減少過(guò)渡期間的電壓振鈴。