同步BUCK降壓變換器開關節(jié)點負壓尖峰及影響
[導讀]同步BUCK降壓變化器開關節(jié)點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)，開關節(jié)點的電壓VSW的下降沿，會出現(xiàn)負壓尖峰，圖1中的負壓尖峰為-6.9V。?圖1：同步BUCK變化器工作波形?功率M...
同步BUCK降壓變化器開關節(jié)點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)，開關節(jié)點的電壓VSW的下降沿，會出現(xiàn)負壓尖峰，圖1中的負壓尖峰為-6.9V。
?圖1：同步BUCK變化器工作波形?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管腳到輸入電容負端的引線電感。?圖2：BUCK變換器上、下管參數(shù)模型?開關節(jié)點負壓尖峰其產(chǎn)生的原因在于：上管關斷、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)生的感應電壓的方向為上負下正，于是，測量的開關節(jié)點的電壓，就出現(xiàn)了負電壓。
（a）下管寄生電感感應電壓方向（b）整個回路寄生電感感應電壓方向圖3：開關節(jié)點負壓的產(chǎn)生??開關節(jié)點的負壓尖峰，與下管回路的總體寄生電感LTL、上管開通的di/dt直接相關，LTL、di/dt越大，開關節(jié)點的負壓尖峰越大：-VSW= LTL*di/dt?通常測量開關節(jié)點的電壓時，示波器的探頭地，會放在下管的源極S管腳。在實際的PCB設計中，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，測量到的負壓尖峰會更大。?PWM或驅(qū)動IC內(nèi)部，上、下管驅(qū)動輸出端，有許多保護的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ESD二極管，DH1、DH2、DH3為上驅(qū)動的VB、輸出Ho的ESD保護二極管，D1為芯片自舉驅(qū)動最高的電壓點VB的ESD保護二極管。?圖4：IC內(nèi)部驅(qū)動輸出端ESD保護?如果上管關斷速度太快、回路寄生電感過大，開關節(jié)點VSW的瞬態(tài)負壓過大，導致上管發(fā)生過壓而產(chǎn)生雪崩，影響上管長期工作的可靠性，同時還會導致以下問題;?1、在下管開通的狀態(tài)下，上管應該是關斷的，驅(qū)動器的輸入端應該是低電平，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。?2、自舉電容CB的電壓過沖，極端條件下，過高的電壓導致DH1發(fā)生損壞，由IC內(nèi)部DH1保護二極管的最大功率決定。在一些設計中，為了提高ESD保護的功率，會采用SCR晶閘管結(jié)構，在大的工作電流下，會發(fā)生閂鎖效應，導致系統(tǒng)不能正常工作。
圖5：VSW負壓導致自舉電容過充?3、如果VSW的瞬態(tài)負壓更大，導致VB也瞬態(tài)產(chǎn)生負壓，如圖6所示，D1導通，流過大的正向電流，因為過功率而發(fā)生損壞，如圖6所示；同樣，為了提高ESD保護的功率，如果D1采用SCR晶閘管結(jié)構，在大的工作電流下，也會發(fā)生閂鎖效應，導致系統(tǒng)不能正常工作，或者輸出邏輯發(fā)生紊亂，導致上、下管直通發(fā)生短路。
?圖6：VSW負壓導致自舉保護ESD導通?為了降低開關節(jié)點的負壓尖峰，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、降低上管的關斷速度
降低上管的關斷速度，降低di/dt，減小負壓的尖峰，從而降低負壓電流。上管的關斷速度降低，上管的關斷損耗會變大，因此，需要在二種之間做一些折衷處理。?降低上管的關斷速度，有下面幾種方法進行調(diào)整：?（1）增加上管柵極外部串聯(lián)驅(qū)動電阻RG-H1?（2）上管自舉驅(qū)動電路VB和CB之間外加串聯(lián)電阻?（3）增加上管源極外部串聯(lián)的PCB引線電感?以前文章專門紹過，方法三是一種對關斷損耗、系統(tǒng)效率影響最小的方案，特別是系統(tǒng)在高頻工作的條件下。
2、IC的SW管腳和開關節(jié)點之間串聯(lián)電阻?
如果在PWM或驅(qū)動IC的SW管腳和開關節(jié)點之間串聯(lián)電阻RSW，如圖7所示，這樣不但可以降低上管的關斷速度，降低di/dt，減小負壓的尖峰；同時，由于RSW串聯(lián)在D1以及其他保護二極管回路中，就可以進一步的減小流過D1以及其他保護二極管的電流，從而避免發(fā)出過流損壞或閂鎖效應。
圖7：RSW放在自舉電容CB內(nèi)側(cè)?RSW放在自舉電容CB的左邊（內(nèi)側(cè)），RSW只降低上管的關斷速度，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，將同時降低上管關斷速度和開通速度。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)?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，同樣可以降低負壓電流，實際應用中，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，并且響應的速度要滿足要求，在實際的應用中，并聯(lián)穩(wěn)壓管并不是總是有效。?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。開關節(jié)點串聯(lián)不同電阻，測量的VSW負壓尖峰如圖11所示。
圖9：上管柵極串聯(lián)不同電阻的VSW負壓
圖10：上管柵極串聯(lián)不同電阻的效率
?圖11：開關節(jié)點串聯(lián)不同電阻的VSW負壓
?圖1：同步BUCK變化器工作波形?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管腳到輸入電容負端的引線電感。?圖2：BUCK變換器上、下管參數(shù)模型?開關節(jié)點負壓尖峰其產(chǎn)生的原因在于：上管關斷、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)生的感應電壓的方向為上負下正，于是，測量的開關節(jié)點的電壓，就出現(xiàn)了負電壓。
（a）下管寄生電感感應電壓方向（b）整個回路寄生電感感應電壓方向圖3：開關節(jié)點負壓的產(chǎn)生??開關節(jié)點的負壓尖峰，與下管回路的總體寄生電感LTL、上管開通的di/dt直接相關，LTL、di/dt越大，開關節(jié)點的負壓尖峰越大：-VSW= LTL*di/dt?通常測量開關節(jié)點的電壓時，示波器的探頭地，會放在下管的源極S管腳。在實際的PCB設計中，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，測量到的負壓尖峰會更大。?PWM或驅(qū)動IC內(nèi)部，上、下管驅(qū)動輸出端，有許多保護的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ESD二極管，DH1、DH2、DH3為上驅(qū)動的VB、輸出Ho的ESD保護二極管，D1為芯片自舉驅(qū)動最高的電壓點VB的ESD保護二極管。?圖4：IC內(nèi)部驅(qū)動輸出端ESD保護?如果上管關斷速度太快、回路寄生電感過大，開關節(jié)點VSW的瞬態(tài)負壓過大，導致上管發(fā)生過壓而產(chǎn)生雪崩，影響上管長期工作的可靠性，同時還會導致以下問題;?1、在下管開通的狀態(tài)下，上管應該是關斷的，驅(qū)動器的輸入端應該是低電平，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。?2、自舉電容CB的電壓過沖，極端條件下，過高的電壓導致DH1發(fā)生損壞，由IC內(nèi)部DH1保護二極管的最大功率決定。在一些設計中，為了提高ESD保護的功率，會采用SCR晶閘管結(jié)構，在大的工作電流下，會發(fā)生閂鎖效應，導致系統(tǒng)不能正常工作。
圖5：VSW負壓導致自舉電容過充?3、如果VSW的瞬態(tài)負壓更大，導致VB也瞬態(tài)產(chǎn)生負壓，如圖6所示，D1導通，流過大的正向電流，因為過功率而發(fā)生損壞，如圖6所示；同樣，為了提高ESD保護的功率，如果D1采用SCR晶閘管結(jié)構，在大的工作電流下，也會發(fā)生閂鎖效應，導致系統(tǒng)不能正常工作，或者輸出邏輯發(fā)生紊亂，導致上、下管直通發(fā)生短路。
?圖6：VSW負壓導致自舉保護ESD導通?為了降低開關節(jié)點的負壓尖峰，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、降低上管的關斷速度
降低上管的關斷速度，降低di/dt，減小負壓的尖峰，從而降低負壓電流。上管的關斷速度降低，上管的關斷損耗會變大，因此，需要在二種之間做一些折衷處理。?降低上管的關斷速度，有下面幾種方法進行調(diào)整：?（1）增加上管柵極外部串聯(lián)驅(qū)動電阻RG-H1?（2）上管自舉驅(qū)動電路VB和CB之間外加串聯(lián)電阻?（3）增加上管源極外部串聯(lián)的PCB引線電感?以前文章專門紹過，方法三是一種對關斷損耗、系統(tǒng)效率影響最小的方案，特別是系統(tǒng)在高頻工作的條件下。
2、IC的SW管腳和開關節(jié)點之間串聯(lián)電阻?
如果在PWM或驅(qū)動IC的SW管腳和開關節(jié)點之間串聯(lián)電阻RSW，如圖7所示，這樣不但可以降低上管的關斷速度，降低di/dt，減小負壓的尖峰；同時，由于RSW串聯(lián)在D1以及其他保護二極管回路中，就可以進一步的減小流過D1以及其他保護二極管的電流，從而避免發(fā)出過流損壞或閂鎖效應。
圖7：RSW放在自舉電容CB內(nèi)側(cè)?RSW放在自舉電容CB的左邊（內(nèi)側(cè)），RSW只降低上管的關斷速度，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，將同時降低上管關斷速度和開通速度。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)?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，同樣可以降低負壓電流，實際應用中，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，并且響應的速度要滿足要求，在實際的應用中，并聯(lián)穩(wěn)壓管并不是總是有效。?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。開關節(jié)點串聯(lián)不同電阻，測量的VSW負壓尖峰如圖11所示。
圖9：上管柵極串聯(lián)不同電阻的VSW負壓
圖10：上管柵極串聯(lián)不同電阻的效率
?圖11：開關節(jié)點串聯(lián)不同電阻的VSW負壓
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