同步BUCK降壓變換器上管開關(guān)速度的優(yōu)化方法有哪些

同步BUCK降壓變化器是應(yīng)用非常廣泛的一種電源結(jié)構(gòu)，其工作頻率由早期的低于100KHz，提高到200KHz、300KHz、350KHz、500KHz、1MHz，甚至更高，工作頻率的提高帶來(lái)的好處是電源系統(tǒng)的體積降低，但是，缺點(diǎn)就是開關(guān)損耗會(huì)增加。

功率MOSFET在進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻、降低導(dǎo)通損耗的同時(shí)，也要降低相應(yīng)的寄生電容值，以降低開關(guān)損耗。開關(guān)電源系統(tǒng)高頻高效的設(shè)計(jì)要求，也促使功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，技術(shù)平臺(tái)不斷進(jìn)步。

寄生電容降低，導(dǎo)致BUCK變化器上管開關(guān)速度越來(lái)越快。上管的開關(guān)速度越快，開關(guān)損耗越低，但是，也會(huì)產(chǎn)生以下問題：

（1）上管開通速度太快，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓尖峰過高，會(huì)影響下管長(zhǎng)期工作的可靠性；

（2）上管開通速度太快，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓變化率dV/dt過大，會(huì)產(chǎn)生EMI的問題；同時(shí)，會(huì)在下管的柵極耦合感應(yīng)出電壓，導(dǎo)致下管誤開通。

（3）上管關(guān)斷速度太快，開關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)壓尖峰過高，對(duì)PWM IC驅(qū)動(dòng)部分或驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)生問題，如輸入信號(hào)邏輯錯(cuò)誤，內(nèi)部ESD等保護(hù)器件因?yàn)檫^電流而發(fā)生損壞；同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致上管發(fā)生過壓，影響上管長(zhǎng)期工作的可靠性。

開關(guān)節(jié)點(diǎn)是上、下管以及輸出電感的連接點(diǎn)，在系統(tǒng)PCB板上，對(duì)應(yīng)著一塊區(qū)域，包括上管的源極S、下管的漏極D、輸出電感的管腳SW以及連接這些點(diǎn)的PCB的銅皮。

BUCK變換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓尖峰、電壓變化率dV/dt、下管的柵極耦合感應(yīng)電壓，和上管的開通速度、下管寄生體二極管的反向恢復(fù)特性，以及它們組成的環(huán)路都直接相關(guān)。

BUCK變化器在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)系統(tǒng)效率、開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的正向過沖、負(fù)向過沖、下管柵極耦合感應(yīng)電壓等因素進(jìn)行綜合考慮，折衷平衡，設(shè)計(jì)出滿足要求的系統(tǒng)。

包含相關(guān)寄生元件的BUCK變化器的原理圖，如圖1所示。圖1中，功率MOSFET方框內(nèi)為其內(nèi)部的寄生元件，包括封裝的寄生電感。主功率回路在PCB板上對(duì)應(yīng)的寄生電感，分別如圖1、圖2所示。

圖1中，包括上管漏極D到輸入電容的寄生電感，上管源極S到輸出電感的寄生電感，上管柵極G到IC驅(qū)動(dòng)輸出的寄生電感，上管源極S到其IC驅(qū)動(dòng)返回端的寄生電感；下管漏極D到輸出電感的寄生電感，下管源極S到輸入電容負(fù)（地）端的寄生電感，下管柵極G到IC驅(qū)動(dòng)輸出的寄生電感，下管源極S到其IC驅(qū)動(dòng)返回端的寄生電感。

圖1：BUCK變化器原理圖

圖2：BUCK變化器主功率回路

為了平衡上述設(shè)計(jì)因素，實(shí)際應(yīng)用過程中，通常要對(duì)上管的開關(guān)速度進(jìn)行調(diào)整，降低上管開通速度，有下面幾種方法。

1、增加上管柵極外部串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電阻RG-H1

圖3：上管柵極外加串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電阻

這種方法會(huì)同時(shí)降低上管的開通、關(guān)斷速度，增加開關(guān)損耗，這也是工程師經(jīng)常采用的一種方法。

用二極管串聯(lián)較低阻值的電阻，和RG-H1并聯(lián)，如圖4所示，分別調(diào)整開通和關(guān)斷的速度，使開通速度變慢，關(guān)斷速度較快，這種驅(qū)動(dòng)電路在ACDC電源系統(tǒng)中經(jīng)常使用；但是，在Buck變換器中很少采用這種電路，主要的原因是：Buck變換器工作頻率高，使用的RG-H1值非常小，不超過5歐姆。

在上管的柵極G、源極S或上管柵極G、漏極D，外加電容，如圖5所示，也可以調(diào)整開關(guān)速度，這種方法產(chǎn)生過大的開關(guān)損耗，在Buck變換器中也很少采用這種電路。一些負(fù)載開關(guān)、熱插拔電路，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，經(jīng)常采用這樣方式，限制浪涌電流，或限制過壓尖峰。

圖4：使用二極管分別調(diào)整開通和關(guān)斷速度

圖5：外加電容調(diào)整開關(guān)速度

2、上管自舉驅(qū)動(dòng)電路外接串聯(lián)電阻

上管自舉驅(qū)動(dòng)電路外加串聯(lián)電阻的方法，如圖6所示，在自舉電路中，串聯(lián)一個(gè)電阻RB，就可以降低上管開通的速度；同時(shí)，RB不在上管關(guān)斷的回路中，可以較快的關(guān)斷上管，不影響關(guān)斷損耗。

高頻的BUCK變換器也經(jīng)常采用這種方式，它的優(yōu)點(diǎn)是：降低上管的開通的速度，不影響上管的關(guān)斷速度。上管開通回路、關(guān)斷回路的驅(qū)動(dòng)電流路徑，如圖7、圖8所示。

圖6：上管自舉驅(qū)動(dòng)電路外加串聯(lián)電阻

圖7：上管開通回路

圖8：上管關(guān)斷回路

3、增加上管源極外部串聯(lián)的PCB引線電感

為了提高開關(guān)速度，降低柵極的振蕩，電源工程師通常盡可能減小驅(qū)動(dòng)環(huán)路，驅(qū)動(dòng)回路的返回端，也是盡可能連接到功率MOSFET的源極S管腳，如圖3所示。

如果把上管驅(qū)動(dòng)回路返回端連接到輸出電感的管腳，或者直接連接到下管漏極D管腳，這樣就增加了上管源極外部串聯(lián)的PCB引線電感，從而降低上管的開關(guān)速度。

具體內(nèi)容，參考前面文章：同步BUCK降壓變換器源極寄生電感對(duì)開關(guān)性能影響

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：不增加額外的元件，只對(duì)上管開關(guān)過程中di/dt變化的階段起作用，對(duì)于開關(guān)過程中di/dt不發(fā)生明顯變化的dV/dt階段不起作用，這樣，其對(duì)于開關(guān)損耗的影響，遠(yuǎn)小于直接增加?xùn)艠O外部串聯(lián)電阻的方式，同時(shí)，可以明顯的降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的尖峰電壓，減少元件的數(shù)量。

設(shè)計(jì)的技巧就是：不同型號(hào)的上管和下管，引入多少的PCB引線電感，需要進(jìn)行具體優(yōu)化。圖8、圖9給出了上管驅(qū)動(dòng)回路在源極S引入不同的PCB引線電感的幾種走線方式。

圖9：上管驅(qū)動(dòng)回路增加引線電感

圖10：上管驅(qū)動(dòng)回路增加引線電感的PCB布線