【導(dǎo)讀】本文是系列文章中的第三篇，該系列文章將討論常見的開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計(jì)問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的功率級設(shè)計(jì)中面臨的復(fù)雜難題，重點(diǎn)關(guān)注功率晶體管和自舉電容。功率晶體管具有最小和最大占空比，如果違反限值，將會導(dǎo)致SMPS性能下降。此外，如果忽略自舉電容，晶體管將無法正常工作。
問題
當(dāng)輸入和輸出電壓接近時，為什么難以獲得穩(wěn)定的輸出電壓？
回答
占空比過大或過小（尤其是在高開關(guān)頻率下）可能會導(dǎo)致時序不符合規(guī)格要求，進(jìn)而造成系統(tǒng)性能下降。
摘要
本文是系列文章中的第三篇，該系列文章將討論常見的開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計(jì)問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的功率級設(shè)計(jì)中面臨的復(fù)雜難題，重點(diǎn)關(guān)注功率晶體管和自舉電容。功率晶體管具有最小和最大占空比，如果違反限值，將會導(dǎo)致SMPS性能下降。此外，如果忽略自舉電容，晶體管將無法正常工作。
引言
在本文中，降壓轉(zhuǎn)換器用于演示忽視功率晶體管時序規(guī)范的影響，以及移除自舉電容時會發(fā)生什么情況。有關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器工作原理的詳細(xì)介紹，請參閱本系列的第一篇文章“開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施：電感器不符合規(guī)格要求”。功率晶體管具有最小導(dǎo)通和關(guān)斷時間要求，以確保FET柵極電容正確充電和放電，從而保證晶體管完全導(dǎo)通和關(guān)斷。如果忽略這些要求（例如為了獲得更快的開關(guān)速度），就會出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定和開關(guān)頻率錯亂等問題。此外，自舉電容對于維持這些晶體管的運(yùn)行至關(guān)重要。若沒有自舉電容，晶體管就不會有足夠的驅(qū)動強(qiáng)度，導(dǎo)致無法完全導(dǎo)通。
什么是自舉電容？
自舉電容負(fù)責(zé)維持頂部N溝道MOSFET正常運(yùn)行。圖1的橙色高亮部分顯示了這一點(diǎn)。
圖1.LT8610數(shù)據(jù)手冊中展示自舉電容功能的框圖。
當(dāng)頂部N溝道MOSFET閉合時，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電位與輸入源大致相同。這意味著頂部MOSFET的源極電壓高于柵極電壓（來自柵極驅(qū)動器）。若沒有高于NMOS閾值電壓的正柵源電壓，MOSFET將無法導(dǎo)通。因此，需要使用自舉電容來確保柵極電壓始終高于源極電壓。
忽略自舉電容
省略自舉電容不會給設(shè)計(jì)人員帶來什么明顯的好處，這樣做可能是為了縮減BOM尺寸和成本，或者僅僅是忘記包含這些元件。然而，此決定會帶來負(fù)面影響，因?yàn)橐獛椭酒瑸轫敳縁ET的柵極提供足夠的電壓以使其完全導(dǎo)通，自舉電容是必不可少的，如圖2所示。
圖2.無自舉電容的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
如果頂部FET未完全導(dǎo)通，器件將無法調(diào)節(jié)輸出電壓。FET將在線性區(qū)域內(nèi)工作，消耗大量功率并使芯片升溫。
為了解決這個問題，設(shè)計(jì)人員必須添加自舉電容。設(shè)計(jì)人員如果不確定要添加多大的電容，則應(yīng)在數(shù)據(jù)手冊示例中選擇一個最接近其應(yīng)用的值。如果器件需要自舉電容，忘記添加該電容將導(dǎo)致SMPS故障。添加自舉電容將能讓頂部柵極驅(qū)動器有足夠的驅(qū)動強(qiáng)度來操作處于飽和區(qū)的FET，使其充當(dāng)開關(guān)，并向SW節(jié)點(diǎn)提供全部輸入電壓。這一點(diǎn)可以從圖3中看出。
圖3.帶自舉電容的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
違反最小導(dǎo)通時間規(guī)范
設(shè)計(jì)人員常常選擇較高的開關(guān)頻率以減小電路板尺寸，但由于開關(guān)損耗增加，能效比會降低。然而，當(dāng)器件具有高頻率和高降壓比時，占空比會被迫變小，并可能降至最小占空比值以下。最小占空比如公式1所示。
其中，tmin-on定義為電感由輸入源充電的最短時間。開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有規(guī)定的最小導(dǎo)通時間值，設(shè)計(jì)人員必須遵守該值以確保FET正常運(yùn)行（因?yàn)镕ET無法瞬間完成切換）。設(shè)計(jì)人員可以自由選擇開關(guān)頻率。然而，當(dāng)指定的開關(guān)頻率過高以及降壓比過大時，導(dǎo)通時間就會被迫低于最小值。
當(dāng)導(dǎo)通時間被迫低于其最小值時，電感電流在一個周期內(nèi)的放電速度將比充電速度更快。當(dāng)新的周期開始時，起點(diǎn)將低于前幾個周期的起點(diǎn)，這種現(xiàn)象被稱為電流降。最終，電流和輸出電壓都會下降到很低的程度，以至于器件內(nèi)部產(chǎn)生更大的占空比（具有更長的導(dǎo)通時間）來調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖4所示。
圖4.違反最小導(dǎo)通時間的電流波形。
電感電流紋波的下降也會在轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中表現(xiàn)出來。輸出電壓紋波變得更加嘈雜，這可能會影響敏感負(fù)載并降低EMI性能。此影響可以從圖5中看出。
圖5.違反最小導(dǎo)通時間的輸出波形。
這個問題有一個簡單的解決辦法。導(dǎo)通時間主要受開關(guān)頻率影響，因此設(shè)計(jì)人員可以通過降低頻率來解決該問題。但這樣做的代價(jià)是需要更大的功率級元件，主要是更大的電感。降壓轉(zhuǎn)換器的功能改進(jìn)體現(xiàn)在周期間一致的導(dǎo)通時間，以及圖6中穩(wěn)定的電流紋波和圖7中穩(wěn)定的輸出紋波。
圖6.穩(wěn)定的電流紋波。
圖7.穩(wěn)定的輸出紋波。
違反最小關(guān)斷時間規(guī)范
某些應(yīng)用可能需要較小的降壓比，這可能會違反轉(zhuǎn)換器的最小關(guān)斷時間規(guī)范。tmin-off是tmin-on的補(bǔ)充，定義為電感未由輸入源充電的最短時間。與導(dǎo)通時間要求類似，SMPS必須關(guān)斷規(guī)定的時間以確保FET正常運(yùn)行（允許正常放電）。當(dāng)要求的占空比大于允許的最大占空比（由式2給出）時，就會違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。
如果占空比超過最大值，SMPS將折返其配置的頻率，以避免違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。這一點(diǎn)可以從圖8中看出。器件最初配置為2 MHz頻率。
圖8.違反最小關(guān)斷時間的電流波形。頻率折返至335 kHz。
圖9.負(fù)載調(diào)整和折返頻率。隨著負(fù)載增大，頻率會折返以維持穩(wěn)定的輸出電壓。
在圖9中可以看到，隨著負(fù)載增加，器件頻率會折返以保持恒定的輸出電壓。器件在DCM下運(yùn)行至約0.28 A，這就是頻率下降到約495 kHz然后又回升至657 kHz的原因。以657 kHz的頻率運(yùn)行時，器件可以保持正常操作，直至負(fù)載達(dá)到0.7 A。此時頻率降低以保持適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，直至?fù)載達(dá)到1.4 A左右。發(fā)生這種情況時，器件無法在保持輸出電壓的同時將頻率降低到100 kHz以下（該器件指定的最低反饋頻率），因此輸出電壓開始下降。
這個問題的解決辦法不像違反最小導(dǎo)通時間規(guī)范那么簡單。設(shè)計(jì)人員通常需要滿足特定的輸入電壓和輸出電壓要求，因此無法隨意更改占空比來延長關(guān)斷時間。如果設(shè)計(jì)人員可以提供更大的輸入電壓，則器件將以設(shè)定的頻率工作，因?yàn)檩^小占空比會防止器件違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。這一點(diǎn)可以從圖10中看出，其中器件以設(shè)定的2 MHz頻率運(yùn)行。
圖10.未違反最小關(guān)斷時間的電流波形。設(shè)定頻率為2MHz。
與最小導(dǎo)通時間相反，降低頻率只會在一定負(fù)載以下起作用。如果設(shè)計(jì)人員不能充分降低開關(guān)頻率以避免違反最小關(guān)斷時間規(guī)范，那么理想的做法是選擇另一種能夠處理更高占空比和更短導(dǎo)通時間的器件。
結(jié)論
本文是關(guān)于SMPS常見設(shè)計(jì)問題的系列文章的最后一篇，重點(diǎn)討論如何讓功率晶體管保持正常運(yùn)行。占空比要求過高或過低都會使開關(guān)轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定，進(jìn)而造成不良后果，例如開關(guān)頻率降低、輸出電壓不穩(wěn)定以及電感在電流方面的性能不良等。此外，忽略自舉電容不僅會妨礙晶體管正常工作，還可能對負(fù)載、晶體管或芯片本身造成嚴(yán)重后果。
關(guān)于ADI
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財(cái)年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。
（來源：ADI公司，作者：Abe Ibraheim，核心應(yīng)用部實(shí)習(xí)生，Kenneth Armijo，核心應(yīng)用部工程師，Piyu Dhaker，資深工程師）
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