開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施：晶體管時(shí)序和自舉電容問(wèn)題

問(wèn)題

當輸入和輸出電壓接近時(shí)，為什么難以獲得穩定的輸出電壓？

回答

占空比過(guò)大或過(guò)?。ㄓ绕涫窃诟唛_(kāi)關(guān)頻率下）可能會(huì )導致時(shí)序不符合規格要求，進(jìn)而造成系統性能下降。

引言

在本文中，降壓轉換器用于演示忽視功率晶體管時(shí)序規范的影響，以及移除自舉電容時(shí)會(huì )發(fā)生什么情況。有關(guān)降壓轉換器工作原理的詳細介紹，請參閱本系列的第一篇文章“開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施：電感器不符合規格要求”。功率晶體管具有最小導通和關(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通和關(guān)斷。如果忽略這些要求（例如為了獲得更快的開(kāi)關(guān)速度），就會(huì )出現輸出不穩定和開(kāi)關(guān)頻率錯亂等問(wèn)題。此外，自舉電容對于維持這些晶體管的運行至關(guān)重要。若沒(méi)有自舉電容，晶體管就不會(huì )有足夠的驅動(dòng)強度，導致無(wú)法完全導通。

什么是自舉電容？

自舉電容負責維持頂部N溝道MOSFET正常運行。圖1的橙色高亮部分顯示了這一點(diǎn)。

圖1 LT8610數據手冊中展示自舉電容功能的框圖

當頂部N溝道MOSFET閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電位與輸入源大致相同。這意味著(zhù)頂部MOSFET的源極電壓高于柵極電壓（來(lái)自柵極驅動(dòng)器）。若沒(méi)有高于NMOS閾值電壓的正柵源電壓，MOSFET將無(wú)法導通。因此，需要使用自舉電容來(lái)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(huì )給設計人員帶來(lái)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(huì )帶來(lái)負面影響，因為要幫助芯片為頂部FET的柵極提供足夠的電壓以使其完全導通，自舉電容是必不可少的，如圖2所示。

圖2 無(wú)自舉電容的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)

如果頂部FET未完全導通，器件將無(wú)法調節輸出電壓。FET將在線(xiàn)性區域內工作，消耗大量功率并使芯片升溫。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計人員必須添加自舉電容。設計人員如果不確定要添加多大的電容，則應在數據手冊示例中選擇一個(gè)最接近其應用的值。如果器件需要自舉電容，忘記添加該電容將導致SMPS故障。添加自舉電容將能讓頂部柵極驅動(dòng)器有足夠的驅動(dòng)強度來(lái)操作處于飽和區的FET，使其充當開(kāi)關(guān)，并向SW節點(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(kāi)關(guān)節點(diǎn)

違反最小導通時(shí)間規范

設計人員常常選擇較高的開(kāi)關(guān)頻率以減小電路板尺寸，但由于開(kāi)關(guān)損耗增加，能效比會(huì )降低。然而，當器件具有高頻率和高降壓比時(shí)，占空比會(huì )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，t_min-on定義為電感由輸入源充電的最短時(shí)間。開(kāi)關(guān)轉換器具有規定的最小導通時(shí)間值，設計人員必須遵守該值以確保FET正常運行（因為FET無(wú)法瞬間完成切換）。設計人員可以自由選擇開(kāi)關(guān)頻率。然而，當指定的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高以及降壓比過(guò)大時(shí)，導通時(shí)間就會(huì )被迫低于最小值。

當導通時(shí)間被迫低于其最小值時(shí)，電感電流在一個(gè)周期內的放電速度將比充電速度更快。當新的周期開(kāi)始時(shí)，起點(diǎn)將低于前幾個(gè)周期的起點(diǎn)，這種現象被稱(chēng)為電流降。最終，電流和輸出電壓都會(huì )下降到很低的程度，以至于器件內部產(chǎn)生更大的占空比（具有更長(cháng)的導通時(shí)間）來(lái)調節輸出電壓，如圖4所示。

圖4 違反最小導通時(shí)間的電流波形

電感電流紋波的下降也會(huì )在轉換器的輸出電壓中表現出來(lái)。輸出電壓紋波變得更加嘈雜，這可能會(huì )影響敏感負載并降低EMI性能。此影響可以從圖5中看出。

圖5 違反最小導通時(shí)間的輸出波形

這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法。導通時(shí)間主要受開(kāi)關(guān)頻率影響，因此設計人員可以通過(guò)降低頻率來(lái)解決該問(wèn)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。降壓轉換器的功能改進(jìn)體現在周期間一致的導通時(shí)間，以及圖6中穩定的電流紋波和圖7中穩定的輸出紋波。

圖6 穩定的電流紋波

圖7 穩定的輸出紋波

違反最小關(guān)斷時(shí)間規范

某些應用可能需要較小的降壓比，這可能會(huì )違反轉換器的最小關(guān)斷時(shí)間規范。t_min-off是t_min-on的補充，定義為電感未由輸入源充電的最短時(shí)間。與導通時(shí)間要求類(lèi)似，SMPS必須關(guān)斷規定的時(shí)間以確保FET正常運行（允許正常放電）。當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(huì )違反最小關(guān)斷時(shí)間規范。

如果占空比超過(guò)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 負載調整和折返頻率。隨著(zhù)負載增大，頻率會(huì )折返以維持穩定的輸出電壓

在圖9中可以看到，隨著(zhù)負載增加，器件頻率會(huì )折返以保持恒定的輸出電壓。器件在DCM下運行至約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的頻率運行時(shí)，器件可以保持正常操作，直至負載達到0.7 A。此時(shí)頻率降低以保持適當的輸出電壓，直至負載達到1.4 A左右。發(fā)生這種情況時(shí)，器件無(wú)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(kāi)始下降。

這個(gè)問(wèn)題的解決辦法不像違反最小導通時(shí)間規范那么簡(jiǎn)單。設計人員通常需要滿(mǎn)足特定的輸入電壓和輸出電壓要求，因此無(wú)法隨意更改占空比來(lái)延長(cháng)關(guān)斷時(shí)間。如果設計人員可以提供更大的輸入電壓，則器件將以設定的頻率工作，因為較小占空比會(huì )防止器件違反最小關(guān)斷時(shí)間規范。這一點(diǎn)可以從圖10中看出，其中器件以設定的2 MHz頻率運行。

圖10 未違反最小關(guān)斷時(shí)間的電流波形。設定頻率為2MHz

與最小導通時(shí)間相反，降低頻率只會(huì )在一定負載以下起作用。如果設計人員不能充分降低開(kāi)關(guān)頻率以避免違反最小關(guān)斷時(shí)間規范，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通時(shí)間的器件。

結論

本文是關(guān)于SMPS常見(jiàn)設計問(wèn)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行。占空比要求過(guò)高或過(guò)低都會(huì )使開(kāi)關(guān)轉換器不穩定，進(jìn)而造成不良后果，例如開(kāi)關(guān)頻率降低、輸出電壓不穩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(huì )妨礙晶體管正常工作，還可能對負載、晶體管或芯片本身造成嚴重后果。

作者簡(jiǎn)介

Abe Ibraheim是核心應用部的實(shí)習生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工學(xué)院一名大三學(xué)生，正在攻讀電氣和計算機工程學(xué)士和碩士學(xué)位。他的專(zhuān)業(yè)方向是微電子和電力系統。

Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，擔任核心應用部助理工程師。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程和機器人工程兩個(gè)學(xué)士學(xué)位，還擁有電氣工程碩士學(xué)位。他專(zhuān)注于電源管理電路（主要是開(kāi)關(guān)穩壓器）的設計和實(shí)現。

Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應用部的一名應用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應用部。她還曾在A(yíng)DI的汽車(chē)動(dòng)力總成部和電源管理部工作。