電源設計小貼士46：正確地同步降壓FET時(shí)序

由于工程師們都在竭盡所能地獲得其電源的最高效率，時(shí)序優(yōu)化正變得越來(lái)越重要。在開(kāi)關(guān)期間，存在兩個(gè)過(guò)渡階段：低壓側開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和高壓側開(kāi)關(guān)開(kāi)啟。

低壓側開(kāi)啟開(kāi)關(guān)至關(guān)重要，因為該過(guò)渡階段幾乎沒(méi)有損耗，也即“無(wú)損開(kāi)啟”。在高壓側開(kāi)關(guān)關(guān)閉以后，電感電流驅動(dòng)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓無(wú)損接地。開(kāi)啟低壓側開(kāi)關(guān)的最佳時(shí)機便為過(guò)渡結束時(shí)。如果在低壓側開(kāi)啟以前主體二極管短暫導電，則其無(wú)關(guān)緊要，因為它不會(huì )導致反向恢復損耗。在下一個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)渡之前，該結點(diǎn)處的過(guò)剩載流全部耗散。但是，如果電流仍然長(cháng)時(shí)間存在于主體二極管內，則會(huì )有過(guò)高的傳導損耗。高壓側 FET 開(kāi)啟時(shí)序是最為重要的過(guò)渡。由于同低壓側 FET 存在交叉導通，因此開(kāi)啟過(guò)早會(huì )導致直通損耗；開(kāi)啟過(guò)晚又會(huì )導致傳導損耗增高，并且會(huì )將過(guò)剩載流注入低壓側 FET 主體二極管內（必須對其進(jìn)行恢復）。不管哪種情況，都會(huì )降低效率。

為了說(shuō)明效率與驅動(dòng)信號之間時(shí)序的關(guān)系，我構建起了一些具有驅動(dòng)器信號可調節延遲的電源。之后，我比較了效率與延遲時(shí)間，對其存在的關(guān)系進(jìn)行了研究。圖 1A-1C 顯示了結果。

圖 1A 顯示了當高壓側 FET 在低壓側 FET 完全關(guān)閉之前開(kāi)啟時(shí)的情況。在低壓側柵極驅動(dòng)中有一個(gè)明顯的更大的Miller 區域，其低壓側 FET 和高壓側 FET 同時(shí)導通，從而在功率級中產(chǎn)生直通電流。當低壓側 FET 最終關(guān)閉時(shí)，在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處存在額外的電壓過(guò)沖。在圖 1B 中，在低壓側 FET 關(guān)閉且主體二極管中形成電流以后，高壓側 FET 才開(kāi)啟。當高壓側 FET 開(kāi)啟時(shí)，其恢復該主體二極管，并且會(huì )有一個(gè)電流峰值讓開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓出現振鈴。但是，由于所用MOSFET體二極管的反向恢復時(shí)間（12 nS）極短，因此這種現象并不明顯。主體二極管速度越慢，振鈴越明顯。圖 1C 擁有最高的電源效率。在高壓側開(kāi)關(guān)開(kāi)啟以前，低壓側柵極電壓降至接地電壓附近。高壓側在更低的主體二極管導電以前開(kāi)啟，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴最小化。

圖 2 顯示了不同柵極驅動(dòng)時(shí)序情況下 12 伏到 1 伏/15 安培、300 kHz 功率級的效率曲線(xiàn)?？潭茸髠却砀邏簜乳_(kāi)關(guān)提前開(kāi)啟，如圖 1A 所示。右側代表一個(gè)經(jīng)過(guò)延遲的高壓側柵極驅動(dòng)（圖 1B）。在左邊，效率急劇下降，原因是功率級的直通電流損耗。在右邊，效率逐漸下降。

效率逐漸下降的原因有兩個(gè)：來(lái)自低壓側 FET 主體二極管的傳導損耗和反向恢復損耗。在主體二極管導電期間，主體二極管電壓下降約 0.7伏。方程式 1 表示了主體二極管導電期間的最大電源效率，其大致如下：

如果主體二極管在 3us 時(shí)間中有 50ns 時(shí)間導電，則可對總效率產(chǎn)生約 1.2% 的影響。就該功率級而言，反向恢復損耗微不足道，原因是使用了 12 nS 短反向恢復時(shí)間的 MOSFET。

總之，同步降壓穩壓器中正確的柵極驅動(dòng)信號時(shí)序，對于最大化效率至關(guān)重要。這種時(shí)序可最小化低壓側 FET 主體二極管導電時(shí)間。高壓側 FET 開(kāi)啟是最為關(guān)鍵的過(guò)渡階段，同時(shí)應避免在低壓側完全關(guān)閉以前開(kāi)啟高壓側 FET。這樣做可以最小化開(kāi)關(guān)損耗，并減少過(guò)渡期間的電壓振鈴。

更多詳情，請參閱 2003 年 4 月 TI《應用手冊》（SLUA281）文章《柵極驅動(dòng)升壓同步 DC/DC 功率轉換器效率預測》