問題

　　當(dāng)輸入和輸出電壓接近時(shí),，為什么難以獲得穩(wěn)定的輸出電壓？

　　回答

　　占空比過大或過?。ㄓ绕涫窃诟唛_關(guān)頻率下）可能會導(dǎo)致時(shí)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(shí)序規(guī)范的影響，以及移除自舉電容時(shí)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(shí)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(cuò)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(dòng)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(shí),，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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)器有足夠的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí),，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(shí)間。開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有規(guī)定的最小導(dǎo)通時(shí)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(shí),，導(dǎo)通時(shí)間就會被迫低于最小值。

　　當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間被迫低于其最小值時(shí),，電感電流在一個(gè)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(shí)，起點(diǎn)將低于前幾個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間的輸出波形。

　　這個(gè)問題有一個(gè)簡單的解決辦法,。導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間。與導(dǎo)通時(shí)間要求類似,，SMPS必須關(guān)斷規(guī)定的時(shí)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(shí)，就會違反最小關(guān)斷時(shí)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(shí)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(shí)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(shí),，器件可以保持正常操作，直至負(fù)載達(dá)到0.7 A,。此時(shí)頻率降低以保持適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷海敝霖?fù)載達(dá)到1.4 A左右,。發(fā)生這種情況時(shí),，器件無法在保持輸出電壓的同時(shí)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(gè)問題的解決辦法不像違反最小導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間的電流波形,。設(shè)定頻率為2MHz,。

　　與最小導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(shí)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。

更多精彩內(nèi)容歡迎點(diǎn)擊==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<