減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換時要謹(jǐn)慎

2019-10-14 10:33:45 Frederik Dostal，ADI公司營銷工程師

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開關(guān)調(diào)節(jié)器中的快速開關(guān)瞬變是有利的，因?yàn)檫@顯著降低了開關(guān)模式電源中的開關(guān)損耗。尤其是在高開關(guān)頻率時，可以大幅提高開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率。但是，快速開關(guān)轉(zhuǎn)換也會帶來一些負(fù)面影響。開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率在20 MHz和200 MHz之間時，干擾會急劇增加。這就使得開關(guān)模式電源開發(fā)人員必須在高頻率范圍內(nèi)，在高效率和低干擾之間找到良好的折衷方案。此外，ADI公司提出了創(chuàng)新的Silent Switcher®技術(shù)，即使是極快的開關(guān)邊沿，也可能產(chǎn)生最小電磁輻射。

圖1.對開關(guān)模式電源進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處施加輸入電壓

圖1顯示了快速和慢速開關(guān)轉(zhuǎn)換。快速開關(guān)轉(zhuǎn)換會給鄰近電路段產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾耦合。存在電壓突變的PCB走線可與具有高阻抗的鄰近走線產(chǎn)生容性耦合。存在電流突變的PCB走線可與鄰近走線產(chǎn)生電感耦合。通過減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換，可將這些影響降至最低。圖2顯示了一種經(jīng)驗(yàn)證適用于異步開關(guān)調(diào)節(jié)器的技術(shù)。此處，兩個開關(guān)中的一個使用了肖特基二極管。將電阻與自舉電容CBOOT（提供高端邊n溝道MOSFET的柵極電壓）串聯(lián)，可減慢開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換。當(dāng)無法直接調(diào)整功率MOSFET的柵極信號線時，此技巧可用于集成開關(guān)調(diào)節(jié)器。如果將開關(guān)控制器與外部MOSFET配合使用，也可將電阻插入柵極驅(qū)動走線中。電阻值通常小于100 Ω。

圖2.使用自舉電阻減慢異步降壓轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)轉(zhuǎn)換

但是，大多數(shù)現(xiàn)代開關(guān)調(diào)節(jié)器都是具有高邊和低邊有源開關(guān)的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器。此處，在CBOOT路徑中使用電阻無法明顯減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換。如果此處還是使用與CBOOT并串聯(lián)的電阻（如圖3所示），則也將減慢高邊開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換。但是，這可能導(dǎo)致低邊開關(guān)沒有完全關(guān)閉。因此，高端邊開關(guān)和低邊開關(guān)可能同時瞬間打開。這將導(dǎo)致輸入電壓到接地之間出現(xiàn)破壞性短路。這一點(diǎn)尤為關(guān)鍵，因?yàn)殚_關(guān)轉(zhuǎn)換速度也受到工作溫度等參數(shù)和半導(dǎo)體制造中的可變性的影響。因此，即使是在實(shí)驗(yàn)室測試，也無法保證安全操作。要減慢具有集成開關(guān)的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)轉(zhuǎn)換，應(yīng)使用可通過內(nèi)部電路直接設(shè)置開關(guān)轉(zhuǎn)換速度的同步開關(guān)調(diào)節(jié)器。例如ADI公司的ADP5014。在這些集成電路中，可在內(nèi)部確保：在減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換時，兩個開關(guān)不同時導(dǎo)通，因此也不會發(fā)生短路，并且在CBOOT路徑中都沒有電阻。

圖3.由于高端開關(guān)轉(zhuǎn)換減慢而可能短路的同步降壓轉(zhuǎn)換器

關(guān)于快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，近年來有一個非常重要的創(chuàng)新不容忽視。ADI公司的Silent Switcher技術(shù)使快速開關(guān)邊沿的電磁輻射大幅降低，高達(dá)40 dB（10,000倍）。因此，可開發(fā)出具有超快邊沿且僅有最小EMC問題的開關(guān)模式電源。在大多數(shù)情況下，Silent Switcher器件無需為了減少EMI而降低開關(guān)轉(zhuǎn)換速度。通過Silent Switcher技術(shù)，在很大程度上消除了在最大轉(zhuǎn)換效率和最小電磁干擾之間進(jìn)行權(quán)衡的難題。

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。