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續(xù)流二極管與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系

Sq0B_Excelpoint ? 來源:亞德諾半導(dǎo)體 ? 作者:亞德諾半導(dǎo)體 ? 2022-06-29 09:30 ? 次閱讀

同步Silent Switcher轉(zhuǎn)換器已經(jīng)為功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)緊湊且安靜的 DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)定了黃金標(biāo)準(zhǔn)。在過去5年多的時(shí)間里,我們了解到了大量這些低EMI同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器簡化了在高功率、噪聲敏感環(huán)境中的系統(tǒng)級(jí)EMC設(shè)計(jì),例如冷啟動(dòng)預(yù)升壓、驅(qū)動(dòng)大電流LED串和高壓功率放大器聲音系統(tǒng)。與基于控制器的設(shè)計(jì)相比,單芯片(集成電源開關(guān))升壓穩(wěn)壓器提供了一種更緊湊的高效解決方案,通常用于5 V、12 V和24 V源電壓。

集成式同步開關(guān)及其在硅芯片1中的獨(dú)特布局是Silent Switcher轉(zhuǎn)換器“秘訣”的一部分。板載(集成式)開關(guān)可以形成非常微小的熱回路,幫助盡可能降低輻射。但是,這可能導(dǎo)致成本增加,而且并非所有應(yīng)用都需要同步開關(guān)。如果只是將單個(gè)電源開關(guān)集成到硅芯片中,并且可以依賴外部低成本分立式續(xù)流二極管來作為第二開關(guān),那么開關(guān)轉(zhuǎn)換器的成本會(huì)降低。這種做法在較低成本轉(zhuǎn)換器中很常見,但是,如果低輻射非常重要,是否仍然可以如此?

帶分立式續(xù)流二極管的異步轉(zhuǎn)換器仍然可以實(shí)現(xiàn)低輻射。如果在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意熱回路布局和dV/dt開關(guān)邊緣速率,那么有可能使用異步轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)低EMI開關(guān)應(yīng)用。在展頻(SSFM)中集成降低輻射的額外措施是必要的。單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器,例如 LT3950 60 V、1.5 A異步LED驅(qū)動(dòng)器和 LT8334 40 V、5 A異步升壓轉(zhuǎn)換器,每個(gè)都在器件中集成了單個(gè)低端電源開關(guān),但它們依賴外部續(xù)流二極管,同時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)低輻射!它的工作原理是什么呢?

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圖1. (A) 異步單芯片升壓轉(zhuǎn)換器具有單個(gè)熱回路,其中包含一個(gè)外部續(xù)流二極管。(b) Silent Switcher轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)(相反)熱回路和全集成開關(guān)。

續(xù)流二極管與死區(qū)時(shí)間的關(guān)系

在單芯片轉(zhuǎn)換器中集成一個(gè)而不是兩個(gè)電源開關(guān),可以使芯片尺寸減小30%到40%。芯片尺寸減小可以直接節(jié)省硅芯片成本,當(dāng)硅芯片能夠集成到更小封裝中時(shí),可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二次成本降低。雖然有些PCB空間仍然需要專用于外部分立式續(xù)流二極管,但這些二極管數(shù)量多、可靠且價(jià)格便宜。在升壓轉(zhuǎn)換器中,具有低VF的肖特基二極管在高輸出電壓和低占空比下具有高效率,可以說性能優(yōu)于價(jià)格昂貴的高壓功率FET。

原因之一可能是因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間。在典型的同步轉(zhuǎn)換器中,在預(yù)設(shè)的死區(qū)時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生電源開關(guān)體二極管導(dǎo)通,以防止?jié)撛诘膿舸﹩栴}。如果同步開關(guān)在主開關(guān)能夠完全關(guān)閉之前打開,則會(huì)發(fā)生擊穿,導(dǎo)致輸入或輸出(降壓或升壓)直接對(duì)地短路。在高開關(guān)頻率及最小和最大占空比限值下,死區(qū)時(shí)間控制會(huì)成為開關(guān)設(shè)計(jì)中的一個(gè)限制因素。使用具有低正向電壓的低成本續(xù)流二極管之后,無需再在開關(guān)中提供死區(qū)時(shí)間邏輯——非常簡單。在大多數(shù)情況下,它們也優(yōu)于功率開關(guān)(在死區(qū)時(shí)間期間導(dǎo)電)內(nèi)部固有的體二極管的正電壓壓降。

簡單布局和封裝

首先,我們可以從簡單的單芯片升壓轉(zhuǎn)換器著手來展示基本的布局。圖2中的LT3950 60 V、1.5 A LED驅(qū)動(dòng)器具有簡單的PCB熱回路。這個(gè)熱回路(在圖3中突出顯示)只包含小型陶瓷輸出電容和尺寸相似的分立式續(xù)流二極管PMEG6010CEH。這些組件與LT3950 16引腳MSE封裝,以及散熱盤的開關(guān)引腳和GND面緊密貼合。如此足以實(shí)現(xiàn)低輻射嗎?這當(dāng)然只是公式的一部分。線焊16引腳MSE封裝和緊密的熱回路結(jié)合SSFM和受控良好的開關(guān)行為(開關(guān)電源過渡不會(huì)因?yàn)榉浅8叩乃俣群图纳呔€電感而振鈴),可以實(shí)現(xiàn)低輻射。

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圖2. LT3950 (DC2788A)異步熱回路包括D1續(xù)流二極管。盡管如此,續(xù)流二極 管和輸出電容仍與LT3950 16引腳MSE封裝緊密貼合。突出顯示的異步開關(guān) 節(jié)點(diǎn)小且緊湊,但并非不可能。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的布局可能是實(shí)現(xiàn)低輻射結(jié)果的關(guān)鍵。

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圖3. LT3950 LED驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)異步單芯片1.5 A、60 V升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器熱回路(黃色突出顯示)包含一個(gè)分立式續(xù)流二極管,不會(huì)減弱高頻率輻射。

接下來,可以使用異步轉(zhuǎn)換器的單個(gè)開關(guān)來形成SEPIC拓?fù)洌ㄉ龎汉徒祲海?,以擴(kuò)展其實(shí)用性,不止局限于預(yù)期的升壓用途。因?yàn)槭菃伍_關(guān),所以很容易斷開升壓轉(zhuǎn)換器的熱回路,并在其中增加SEPIC耦合電容,如圖4和圖5所示。大多數(shù)同步升壓轉(zhuǎn)換器的頂部和底部開關(guān)都永久連接至單個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn),所以無法轉(zhuǎn)換成SEPIC。如果能多加關(guān)注由耦合電容、續(xù)流二極管和輸出電容形成的回路,那么SEPIC熱回路可以保持較小。

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圖4. LT8334 40 V、5 A異步單片式升壓IC被用于SEPIC應(yīng)用中。SEPIC轉(zhuǎn)化器熱回路(黃色突出顯示)包含一個(gè)分立式續(xù)流二極管和一個(gè)耦合電容,不會(huì)減弱輻射。

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圖5. LT8334單芯片40 V、5 A異步開關(guān),集成到微型4 mm × 3 mm 12引腳散熱增強(qiáng)型DFN封裝中。LT8334 SEPIC (EVAL-LT8334-AZ)的熱回路布局中包含這個(gè)微型DFN、一個(gè)陶瓷耦合電容、一個(gè)陶瓷輸出電容和一個(gè)小型續(xù)流二極管。

LT8334異步升壓轉(zhuǎn)換器中包含一個(gè)集成式5 A、40 V開關(guān)。這個(gè)單芯片升壓轉(zhuǎn)換器IC適合用于構(gòu)建12 V輸出SEPIC轉(zhuǎn)換器。圖4顯示標(biāo)準(zhǔn)型12 V、2 A+ SEPIC轉(zhuǎn)換器,其中包含耦合電容C1和耦合電感的兩個(gè)電感線圈。由于微型PMEG4030ER續(xù)流二極管D1不是直接附加在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上,所以可以輕松將4.7 μF 0805陶瓷型隔直耦合電容置于二極管和開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間。在EVAL-LT8334-AZ SEPIC評(píng)估板上,熱回路布局保持較小。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的銅面積盡可能保持較小,并且盡可能接近開關(guān)引腳,有助于盡可能降低電磁輻射騷擾。請(qǐng)注意,整個(gè)熱回路都布局在1層,且開關(guān)節(jié)點(diǎn),或者耦合電容另一側(cè)的耦合開關(guān)節(jié)點(diǎn)上都沒有通孔。這些開關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量保持較小,且盡量接近,以實(shí)現(xiàn)出色結(jié)果。LT8334的12引腳DFN封裝有助于熱回路和輻射盡可能保持較小。 受控開關(guān)非常有效

單芯片(包括開關(guān))開關(guān)轉(zhuǎn)換器在與SSFM、2 MHz基波開關(guān)頻率、出色的PCB布局和受控良好的開關(guān)組合使用時(shí),可以有效幫助降低輻射。如果它們足夠有效,那么可能無需利用Silent Switcher架構(gòu)在低輻射方面的巨大優(yōu)勢(shì)(Silent Switcher架構(gòu)是超低輻射黃金標(biāo)準(zhǔn),但如果只是為了通過輻射標(biāo)準(zhǔn),并非在所有情況下都需要用到)。在LT3950和LT8334中,SSFM在基波頻率的基礎(chǔ)上向上擴(kuò)展約20%,然后以三角形的模式返回。SSFM是低EMI開關(guān)穩(wěn)壓器共有的一個(gè)特征。SSFM有多種類型,但是每種類型的總體目標(biāo)是分散輻射能量,并將峰值輻射和平均輻射降低到要求的限值以下。2 MHz開關(guān)頻率的一個(gè)目標(biāo)是將基波開關(guān)頻率設(shè)置為高于AM射頻頻段(530 kHz至1.8 MHz)限制,使基波本身及其所有諧波產(chǎn)生的輻射不會(huì)干擾射頻。當(dāng)不需要考慮AM頻段時(shí),可以放心使用更低的開關(guān)頻率。

內(nèi)部開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器不受開關(guān)頻率影響,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎小心,以避免某些不必要的行為,否則可能會(huì)降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器的EMI性能。超快的振鈴開關(guān)波形可能會(huì)在100 MHz至400 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生多余的輻射,在電磁輻射騷擾測(cè)量中會(huì)非常明顯。IC中受控良好的開關(guān)不應(yīng)表現(xiàn)得像一個(gè)輻射錘,而應(yīng)像是一個(gè)開關(guān)邊緣被抑制的有效橡皮錘。受控的電源開關(guān)能以稍低于可能值的速度讓電壓和電流升高和降低。關(guān)于單芯片轉(zhuǎn)換器中的這種受控開關(guān),圖6b中的2 V/ns開關(guān)速率和缺少振鈴就是一個(gè)不錯(cuò)的示例。您可以看到,這個(gè)內(nèi)部開關(guān)非常柔和地開啟,并達(dá)到0 V,后續(xù)也不會(huì)出現(xiàn)刺耳的振鈴。這對(duì)LT3950的輻射結(jié)果做出了很大的貢獻(xiàn)(參考下方的圖9至圖11)。通常,在單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器中,開關(guān)速度導(dǎo)致最大功率上升,散熱性能下降。但是,如果能精心設(shè)計(jì),可以事半功倍。

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圖6. LT3950受控開關(guān)的上升擺率為2 V/ns,下降擺率為2 V/ns,有助于在LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中保持高效率和低EMI,且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴。 帶柵極速率控制的異步升壓控制器

在有些情況下,要進(jìn)行大功率DC-DC轉(zhuǎn)換,需要在IC外部使用控制器和高壓、高電流開關(guān)。在這種情況下,外部開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器仍位于IC內(nèi)部,但整個(gè)開關(guān)熱回路會(huì)移動(dòng)到IC外部。有些創(chuàng)意性的熱回路和布局是有可能實(shí)現(xiàn)的,但因?yàn)榉至⑹?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET本身的尺寸,熱回路本身一般會(huì)變大。

LT8357 大功率(異步)升壓控制器提供24 V、2 A (48 W),且輻射非 常低。它以低開關(guān)頻率為3.5 mm × 3.5 mm MOSFET供電,以實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換。除了緊密的熱回路(圖7)之外,它還通過上升和下降柵極控制引腳來實(shí)現(xiàn)邊緣速率控制和減少輻射。使用一個(gè)簡單的5.1 Ω電阻RP(在GATEP上)就足以降低M1功率MOSFET的開啟邊緣速率,并將電磁輻射騷擾保持在盡可能低的水平。當(dāng)然,一些輻射濾波器和SSFM也有助于減少輻射。EVAL-LT8357-AZ評(píng)估板還額外留出了輻射屏蔽位置,但對(duì)于大部分應(yīng)用,可能沒有必要。這個(gè)異步升壓控制器與它的單片式版本非常相似,具有高功率、低EMI升壓和SEPIC應(yīng)用所需的所有功能。

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圖7. LT8357高壓升壓控制器具有分立式門引腳,用于單獨(dú)控制高功率分立式MOSFET開關(guān)邊緣的上升沿和下降沿。黃色方框圈出了分立式柵極引腳。

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圖8. 圖7中的LT8357升壓控制器具有出色的輻射和效率性能,RP = 5.1 Ω,RN = 0 Ω。單獨(dú)的門驅(qū)動(dòng)引腳允許受控開關(guān)開啟,同時(shí)提供快速關(guān)斷。在示意圖中,顏色分別表示:紅色RP = 0,RN = 5.1;黃色RP = 0,RN = 0;綠色RP = 5.1,RN = 0;藍(lán)色RP = 5.1,RN = 5.1。 通過CISPR 25 5類輻射標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)低EMI評(píng)估電路(例如LT3950 DC2788A)進(jìn)行了大量測(cè)試,以評(píng)估其電磁輻射和傳導(dǎo)輻射。圖9至圖11顯示成功的輻射測(cè)試結(jié)果,在測(cè)試時(shí),SSFM開啟,采用12 V輸入,330 mA電流流經(jīng)25 V LED串。電流探針和電壓方法CE的結(jié)果都通過了非常嚴(yán)格的限值標(biāo)準(zhǔn)。在開關(guān)中,很容易出現(xiàn)FM頻段CE挑戰(zhàn),但LT3950不受FM頻段影響。

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圖9. DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導(dǎo)輻射測(cè)試(電流探針方法)。

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圖10. DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類傳導(dǎo)輻射測(cè)試(電壓方法)。

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圖11. DC2788A LT3950通過了(a)平均和(b)峰值CISPR 25 5類電磁輻射測(cè)試。

將開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz(300 kHz至2 MHz可調(diào)范圍),這樣,基波開關(guān)輻射可以保持高于AM射頻頻段(530 kHz至1.8 MHz),不會(huì)導(dǎo)致問題,且無需在前端上加裝笨重的LC AM頻段濾波器。取而代之,LT3950使用的EMI濾波器可以是小巧的高頻率鐵氧體磁珠。

雖然熱回路中有額外的耦合電容,耦合電感中有額外的端口(使開關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量翻倍),LT8334 SEPIC還是能保持低輻射。EVAL-LT8334-AZ SEPIC 12 VOUT 評(píng)估套件也使用2 MHz和SSFM,能提供低輻射。EVAL-LT8357-AZ升壓控制器可以實(shí)現(xiàn)相似的性能。有關(guān)這些器件的完整輻射結(jié)果、原理圖和測(cè)試選項(xiàng),可以訪問analog.com,查看對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品登錄頁面。表1列出了一個(gè)新的低EMI異步升壓和SEPIC轉(zhuǎn)換器系列。單芯片IC和控制器IC結(jié)構(gòu)簡單、成本低,采用多種拓?fù)?,具有大功率功能和低輻射,因此非常?shí)用。當(dāng)超低輻射成為首要的要求時(shí),也可以使用高電流Silent Switcher升壓轉(zhuǎn)換器。

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表1. 新型低EMI單芯片升壓轉(zhuǎn)換器,

帶開關(guān)邊緣速率控制

結(jié)論

同步Silent Switcher和異步單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器都可以用于低輻射應(yīng)用。與超高性能的Silent Switcher轉(zhuǎn)換器相比,異步升壓轉(zhuǎn)換器的成本更低。第二個(gè)開關(guān)被低成本續(xù)流二極管替代,后者在高壓下具有一定優(yōu)勢(shì),能夠靈活地重新配置為SEPIC。當(dāng)功率開關(guān)邊緣速率受到良好控制,且提供有限的振鈴時(shí),小型塑料封裝和PCB中經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的小型熱開關(guān)回路區(qū)域都提供低輻射。這些特性應(yīng)與其他低EMI特性(例如SSFM和EMI濾波器)結(jié)合。即使在高功率升壓控制器中,柵極驅(qū)動(dòng)控制也有助于降低和平緩開關(guān)邊緣,以實(shí)現(xiàn)低輻射。請(qǐng)?zhí)貏e注意熱回路的最佳頂層布局,并明智地選擇您的DC-DC轉(zhuǎn)換器,以實(shí)現(xiàn)低輻射設(shè)計(jì)。ADI公司推出的低EMI升壓轉(zhuǎn)換器系列可能剛好能夠滿足您的需求。

審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:【世說設(shè)計(jì)】DC-DC轉(zhuǎn)換器是否必須同步才能實(shí)現(xiàn)低輻射?

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    二極管的測(cè)試方法有哪些

    二極管是一種特殊的二極管,其電流在一定范圍內(nèi)保持恒定,不受電壓變化的影響。這種特性使得恒二極管在許多電子電路中得到廣泛應(yīng)用,如穩(wěn)壓電路
    的頭像 發(fā)表于 07-24 15:27 ?760次閱讀

    二極管的工作原理和應(yīng)用有哪些

    二極管,也稱為恒晶體,是一種具有恒定電流輸出特性的半導(dǎo)體器件。它在電子電路中具有廣泛的應(yīng)用,如電源管理、信號(hào)處理、光電子學(xué)等。 一、恒
    的頭像 發(fā)表于 07-24 15:25 ?1151次閱讀

    肖特基二極管與其他二極管的區(qū)別

    肖特基二極管(Schottky Diode),也被稱為肖特基勢(shì)壘二極管,是一種具有特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的半導(dǎo)體器件。它與其他類型的二極管(如普通二極管、鍺
    的頭像 發(fā)表于 07-24 15:05 ?7428次閱讀

    開關(guān)二極管與TVS二極管的不同點(diǎn)有哪些?

    特點(diǎn)是具有極短的正向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)時(shí)間,能夠在極短的時(shí)間內(nèi)從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài),或從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。開關(guān)二極管通常采用PIN結(jié)構(gòu),其中I層(本征區(qū)
    的頭像 發(fā)表于 06-25 09:48 ?698次閱讀
    開關(guān)<b class='flag-5'>二極管</b>與TVS<b class='flag-5'>二極管</b>的不同點(diǎn)有哪些?

    續(xù)二極管電感量大小對(duì)負(fù)載電流的影響

    常用于濾波和儲(chǔ)能等方面。本文將詳細(xì)探討續(xù)二極管電感量大小對(duì)負(fù)載電流的影響,幫助讀者更好地理解者之間的關(guān)系。 一、
    的頭像 發(fā)表于 04-08 18:07 ?1666次閱讀

    繼電器斷開時(shí)形成的續(xù)二極管回路不會(huì)破壞電源嗎?

    繼電器斷開時(shí)形成的續(xù)二極管回路不會(huì)破壞電源嗎? 繼電器是一種電氣開關(guān)裝置,通常用來控制高電壓或大電流的電路。當(dāng)繼電器斷開時(shí),會(huì)形成一個(gè)續(xù)
    的頭像 發(fā)表于 03-08 16:03 ?1304次閱讀

    續(xù)二極管有沒有單向?qū)ㄐ?/a>

    續(xù)二極管有沒有單向?qū)ㄐ? 續(xù)二極管是一種特殊的二極管
    的頭像 發(fā)表于 03-08 16:03 ?764次閱讀

    續(xù)二極管的作用及工作原理 續(xù)二極管在整流電路中的作用

    續(xù)二極管(flyback diode),有時(shí)也稱為飛輪二極管或是snubber二極管,是一種配合電感性負(fù)載使用的
    的頭像 發(fā)表于 02-21 16:31 ?5082次閱讀
    <b class='flag-5'>續(xù)</b><b class='flag-5'>流</b><b class='flag-5'>二極管</b>的作用及工作原理 <b class='flag-5'>續(xù)</b><b class='flag-5'>流</b><b class='flag-5'>二極管</b>在整流電路中的作用

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