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干货 | 同步BUCK降压变换器开关节点负压尖峰及影响

最新更新时间:2022-08-11
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同步BUCK降压变化器开关节点SW的电压波形VSW如图1所示,Vin=19V,Vo=1V,fsw=900k,L=250nH,在保证测量方法正确的前提下,可以发现,开关节点的电压VSW的下降沿,会出现负压尖峰,图1中的负压尖峰为-6.9V。

 图1:同步BUCK变化器工作波形

 

功率MOSFET包含PCB布线或铺铜的寄生电感的参数模型如图2所示,其中,TH,TL分别为BUCK变换器的上管和下管,LD-L1为下管漏极D管脚到输出电感的引线电感,LS-L1、 LS-L2为下管源极S管脚到输入电容负端的引线电感。

 

图2:BUCK变换器上、下管参数模型

 

开关节点负压尖峰其产生的原因在于:上管关断、下管开通的过程中,上管的电流逐渐减小,下管的电流逐渐增加,那么,下管及其回路的寄生电感,会阻止其电流的增加,产生的感应电压的方向为上负下正,于是,测量的开关节点的电压,就出现了负电压。


(a)下管寄生电感感应电压方向

(b)整个回路寄生电感感应电压方向

图3:开关节点负压的产生

  

开关节点的负压尖峰,与下管回路的总体寄生电感LTL、上管开通的di/dt直接相关,LTL、di/dt越大,开关节点的负压尖峰越大:

-VSW= LTL*di/dt

 

通常测量开关节点的电压时,示波器的探头地,会放在下管的源极S管脚。在实际的PCB设计中,PWM或驱动IC的地,通常连结到输入大电容的地端,如果示波器的探头地,放在输入电容的地端,这个回路的电感更大,测量到的负压尖峰会更大。

 

PWM或驱动IC内部,上、下管驱动输出端,有许多保护的ESD二极管,内部的等效电路如图4所示。其中,DL1、DL2、DL3为下驱动器的VCC、输出Lo的保护ESD二极管,DH1、DH2、DH3为上驱动的VB、输出Ho的ESD保护二极管,D1为芯片自举驱动最高的电压点VB的ESD保护二极管。

 

图4:IC内部驱动输出端ESD保护

 

如果上管关断速度太快、回路寄生电感过大,开关节点VSW的瞬态负压过大,导致上管发生过压而产生雪崩,影响上管长期工作的可靠性,同时还会导致以下问题;

 

1、在下管开通的状态下,上管应该是关断的,驱动器的输入端应该是低电平,由于输入端拉低不是理想的0阻值,而是具有一定的阻抗,VSW的负压就有可能将上驱动器的输入信号的电平拉高,输入信号逻辑错误导致上驱动器误触发输出高电平,上、下管直通发生短路。

 

2、自举电容CB的电压过冲,极端条件下,过高的电压导致DH1发生损坏,由IC内部DH1保护二极管的最大功率决定。在一些设计中,为了提高ESD保护的功率,会采用SCR晶闸管结构,在大的工作电流下,会发生闩锁效应,导致系统不能正常工作。


图5:VSW负压导致自举电容过充


 

3、如果VSW的瞬态负压更大,导致VB也瞬态产生负压,如图6所示,D1导通,流过大的正向电流,因为过功率而发生损坏,如图6所示;同样,为了提高ESD保护的功率,如果D1采用SCR晶闸管结构,在大的工作电流下,也会发生闩锁效应,导致系统不能正常工作,或者输出逻辑发生紊乱,导致上、下管直通发生短路。


 图6:VSW负压导致自举保护ESD导通

 

为了降低开关节点的负压尖峰,除了在PCB布局上尽可能减少回路的寄生电感外,可以采用以下方法:


1、降低上管的关断速度


降低上管的关断速度,降低di/dt,减小负压的尖峰,从而降低负压电流。上管的关断速度降低,上管的关断损耗会变大,因此,需要在二种之间做一些折衷处理。

 

降低上管的关断速度,有下面几种方法进行调整:

 

(1)增加上管栅极外部串联驱动电阻RG-H1

 

(2)上管自举驱动电路VB和CB之间外加串联电阻

 

(3)增加上管源极外部串联的PCB引线电感

 

以前文章专门绍过,方法三是一种对关断损耗、系统效率影响最小的方案,特别是系统高频工作的条件下。


2、IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻 


如果在PWM或驱动IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻RSW,如图7所示,这样不但可以降低上管的关断速度,降低di/dt,减小负压的尖峰;同时,由于RSW串联在D1以及其他保护二极管回路中,就可以进一步的减小流过D1以及其他保护二极管的电流,从而避免发出过流损坏或闩锁效应。


图7:RSW放在自举电容CB内侧

 

RSW放在自举电容CB的左边(内侧),RSW只降低上管的关断速度,不影响其开通速度,如图7所示。如果RSW放在CB的右边(外侧),如图8所示,和串联在G栅极一样,将同时降低上管关断速度和开通速度。但是,串联在G栅极的电阻,无法起到减小内部的ESD二极管的电流的作用。


图8:RSW放在自举电容CB外侧

 

3、IC的地端串联电阻


PWM或驱动IC的地端与输入电容的地端串联电阻,同样可以降低负压电流,实际应用中,不推荐这种方式。 


4、IC的SW管脚和地之间并联稳压管


PWM或驱动IC的SW管脚和地之间并联稳压管,稳压管要求距离尽可能的靠近管脚,并且响应的速度要满足要求,在实际的应用中,并联稳压管并不是总是有效。

 

上管栅极外部串联不同电阻,测量条件:Vin=19V, Vo=1V, Vdri=12V, fsw=900kHz, L=250nH,测量的VSW负压尖峰、效率如图9、图10所示,效率曲线中,不包括驱动和电感的损耗。开关节点串联不同电阻测量的VSW负压尖峰如图11示。


图9:上管栅极串联不同电阻VSW负压


图10:上管栅极串联不同电阻的


 图11:开关节点串联不同电阻的VSW负压



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