同步BUCK降压变换器上管开关速度的优化方法

松哥电源 2021-01-01 00:00


同步BUCK降压变化器是应用非常广泛的一种电源结构,其工作频率由早期的低于100KHz,提高到200KHz、300KHz、350KHz500KHz、1MHz,甚至更高工作频率的提高带来的好处是电源系统的体积降低,但是,缺点就是开关损耗会增加。


功率MOSFET在进一步减小导通电阻、降低导通损耗的同时,也要降低相应的寄生电容值,以降低开关损耗。开关电源系统高频高效的设计要求,也促使功率MOSFET内部结构不断优化,技术平台不断进步。

 

寄生电容降低,导致BUCK变化器上管开关速度越来越快。上管的开关速度越快,开关损耗低,但是,也会产生以下问题:

 

(1)上管开通速度太快,开关节点的电压尖峰过高,会影响下管长期工作的可靠性;

 

(2)上管开通速度太快,开关节点的电压变化率dV/dt过大,产生EMI的问题;同时,会在下管的栅极耦合感应出电压,导致下管误开通。

 

(3)上管关断速度太快,开关节点负压尖峰过高,对PWM IC驱动部分或驱动IC产生问题,如输入信号逻辑错误,内部ESD等保护器件因为过电流而发生损坏;同时还会导致上管发生过压,影响上管长期工作的可靠性。

 

开关节点是上、下管以及输出电感的连接点,在系统PCB板上,对应着一块区域,包括上管的源极S、下管的漏极D、输出电感的管脚SW以及连接这些点的PCB的铜皮。

 

BUCK变换器开关节点的电压尖峰、电压变化率dV/dt、下管的栅极耦合感应电压,和上管的开通速度、下管寄生体二极管的反向恢复特性,以及它们组成的环路都直接相关。

 

BUCK变化器在实际设计过程中,需要对系统效率、开关节点电压的正向过冲、负向过冲、下管栅极耦合感应电压等因素进行综合考虑,折衷平衡,设计出满足要求的系统。

 

包含相关寄生元件的BUCK变化器的原理图,如图1所示。图1中,功率MOSFET方框内为其内部的寄生元件,包括封装的寄生电感主功率回路在PCB板上对应的寄生电感,分别如图1、图2所示。


图1中,包括上管漏极D到输入电容的寄生电感,上管源极S到输出电感寄生电感,上管栅极G到IC驱动输出的寄生电感上管源极S到其IC动返回端的寄生电感;下漏极D到输出电感寄生电感源极S到输入电容负(地)端寄生电感,管栅极G到IC驱动输出的寄生电感,管源极S到其IC驱动返回端的寄生电感。

 

图1:BUCK变化器原理图


 


图2:BUCK变化器主功率回路

 

为了平衡上述设计因素,实际应用过程中,通常要对上管的开关速度进行调整,降低上管开通速度,有下面几种方法。

 

1、增加上管栅极外部串联驱动电阻RG-H1


 


图3:上管栅极外加串联驱动电阻

 

这种方法会同时降低上管的开通、关断速度,增加开关损耗,这也是工程师经常采用的一种方法。

 

用二极管串联较低阻值的电阻,和RG-H1并联,如图4所示,分别调整开通和关断的速度,使开通速度变慢,关断速度较快,这种驱动电路在ACDC电源系统中经常使用;但是,在Buck变换器中很少采用这种电路,主要的原因是:Buck变换器工作频率高,使用的RG-H1值非常小,不超过5欧姆。

 

在上管的栅极G、源极S或上管栅极G、漏极D,外加电容,如图5所示,也可以调整开关速度,这种方法产生过大的开关损耗,在Buck变换器中也很少采用这种电路。一些负载开关、热插拔电路,以及电机驱动的应用中,经常采用这样方式,限制浪涌电流,或限制过压尖峰。

 


图4:使用二极管分别调整开通和关断速度

 

 


图5:外加电容调整开关速度

 

2、上管自举驱动电路外接串联电阻

 

上管自举驱动电路外加串联电阻的方法,如图6所示,在自举电路中,串联一个电阻RB,就可以降低上管开通的速度;同时,RB不在上管关断的回路中,可以较快的关断上管,不影响关断损耗。

 

高频的BUCK变换器也经常采用这种方式,它的优点是:降低上管的开通的速度,不影响上管的关断速度。上管开通回路、关断回路的驱动电流路径,如图7、图8所示。



图6:上管自举驱动电路外加串联电阻


 


图7:上管开通回路


 


图8:上管关断回路

 

3、增加上管源极外部串联的PCB引线电感

 

为了提高开关速度,降低栅极的振荡,电源工程师通常尽可能减小驱动环路,驱动回路的返回端,也是尽可能连接到功率MOSFET的源极S管脚,如图3所示。

 

如果把上管驱动回路返回端连接到输出电感的管脚,或者直接连接到下管漏极D管脚,这样就增加了上管源极外部串联的PCB引线电感,从而降低上管的开关速度。


具体内容,参考前面文章:同步BUCK降压变换器源极寄生电感对开关性能影响

 

这种方法的优点是:不增加额外的元件,只对上管开关过程中di/dt变化的阶段起作用,对于开关过程中di/dt不发生明显变化的dV/dt阶段不起作用,这样,其对于开关损耗的影响,远小于直接增加栅极外部串联电阻的方式,同时,可以明显的降低开关节点的尖峰电压,减少元件的数量。

 

设计的技巧就是:不同型号的上管和下管,引入多少的PCB引线电感,需要进行具体优化。图8、图9给出了上管驱动回路在源极S引入不同的PCB引线电感的几种走线方式。

 

 


图9:上管驱动回路增加引线电感


 


图10:上管驱动回路增加引线电感的PCB布线

松哥电源 松哥电源,致力于提供一个电力电子及电源系统设计与交流的空间,聚集背景相类、价值观相同的电子工程师的智慧,探讨理论,关注细节,评说经验,分享电力电子及电源系统设计的快乐。
评论
  • 本文介绍Linux系统(Ubuntu/Debian通用)挂载exfat格式U盘的方法,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。修改对应的内核配置文件# 进入sdk目录cdrk3562_linux# 编辑内核配置文件vi./kernel-5.10/arch/arm64/configs/rockchip_linux_defconfig注:不清楚内核使用哪个defc
    Industio_触觉智能 2024-12-10 09:44 89浏览
  •         霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子
    锦正茂科技 2024-12-10 11:07 62浏览
  • 智能汽车可替换LED前照灯控制运行的原理涉及多个方面,包括自适应前照灯系统(AFS)的工作原理、传感器的应用、步进电机的控制以及模糊控制策略等。当下时代的智能汽车灯光控制系统通过车载网关控制单元集中控制,表现特殊点的有特斯拉,仅通过前车身控制器,整个系统就包括了灯光旋转开关、车灯变光开关、左LED前照灯总成、右LED前照灯总成、转向柱电子控制单元、CAN数据总线接口、组合仪表控制单元、车载网关控制单元等器件。变光开关、转向开关和辅助操作系统一般连为一体,开关之间通过内部线束和转向柱装置连接为多,
    lauguo2013 2024-12-10 15:53 65浏览
  •         在有电流流过的导线周围会感生出磁场,再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例,是一个具有乘法器功能的器件,并且可与各种逻辑电路直接接口,还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单,信号处理方便,器件本身又具有一系列的du特优点,所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。  &nb
    锦正茂科技 2024-12-10 12:57 69浏览
  • 概述 通过前面的研究学习,已经可以在CycloneVGX器件中成功实现完整的TDC(或者说完整的TDL,即延时线),测试结果也比较满足,解决了超大BIN尺寸以及大量0尺寸BIN的问题,但是还是存在一些之前系列器件还未遇到的问题,这些问题将在本文中进行详细描述介绍。 在五代Cyclone器件内部系统时钟受限的情况下,意味着大量逻辑资源将被浪费在于实现较大长度的TDL上面。是否可以找到方法可以对此前TDL的长度进行优化呢?本文还将探讨这个问题。TDC前段BIN颗粒堵塞问题分析 将延时链在逻辑中实现后
    coyoo 2024-12-10 13:28 89浏览
  • 全球知名半导体制造商ROHM Co., Ltd.(以下简称“罗姆”)宣布与Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited(以下简称“台积公司”)就车载氮化镓功率器件的开发和量产事宜建立战略合作伙伴关系。通过该合作关系,双方将致力于将罗姆的氮化镓器件开发技术与台积公司业界先进的GaN-on-Silicon工艺技术优势结合起来,满足市场对高耐压和高频特性优异的功率元器件日益增长的需求。氮化镓功率器件目前主要被用于AC适配器和服务器电源等消费电子和
    电子资讯报 2024-12-10 17:09 78浏览
  • 【萤火工场CEM5826-M11测评】OLED显示雷达数据本文结合之前关于串口打印雷达监测数据的研究,进一步扩展至 OLED 屏幕显示。该项目整体分为两部分: 一、框架显示; 二、数据采集与填充显示。为了减小 MCU 负担,采用 局部刷新 的方案。1. 显示框架所需库函数 Wire.h 、Adafruit_GFX.h 、Adafruit_SSD1306.h . 代码#include #include #include #include "logo_128x64.h"#include "logo_
    无垠的广袤 2024-12-10 14:03 68浏览
  • 习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习笔记&记录学习习笔记&记学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记
    youyeye 2024-12-10 16:13 91浏览
  • 我的一台很多年前人家不要了的九十年代SONY台式组合音响,接手时只有CD功能不行了,因为不需要,也就没修,只使用收音机、磁带机和外接信号功能就够了。最近五年在外地,就断电闲置,没使用了。今年9月回到家里,就一个劲儿地忙着收拾家当,忙了一个多月,太多事啦!修了电气,清理了闲置不用了的电器和电子,就是一个劲儿地扔扔扔!几十年的“工匠式”收留收藏,只能断舍离,拆解不过来的了。一天,忽然感觉室内有股臭味,用鼻子的嗅觉功能朝着臭味重的方向寻找,觉得应该就是这台组合音响?怎么会呢?这无机物的东西不会腐臭吧?
    自做自受 2024-12-10 16:34 129浏览
  • 肖特基具有很多的应用场景, 可以做同步整流,防止电流倒灌和电源反接等,但是随着电源电流的增大,肖特基导通正向压降0.3~0.7v的劣势也越发明显,产生了很多的热,对于工程师的散热设计是个考验,增加了工程师的设计难度和产品成本,目前一种新的理想二极管及其控制器,目前正在得到越来越广泛的应用- BMS,无人机,PLC,安防,家电,电动工具,汽车等都在快速普及理想二极管有三种架构,内置电荷泵的类似无锡明芯微MX5050T这种,驱动能力会弱点,静态功耗200uA,外置电荷泵MX74700T的这种驱动能力
    王萌 2024-12-10 08:51 85浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦