同步BUCK降压变换器上管开关速度的优化方法

时间：2021-01-04 10:49:13

关键字： BUCK变化器

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[导读]同步BUCK降压变化器是应用非常广泛的一种电源结构，其工作频率由早期的低于100KHz，提高到200KHz、300KHz、350KHz、500KHz、1MHz，甚至更高，工作频率的提高带来的好处是电源系统的体积降低，但是，缺点就是开关损耗会增加。

同步BUCK降压变化器是应用非常广泛的一种电源结构，其工作频率由早期的低于100KHz，提高到200KHz、300KHz、350KHz、500KHz、1MHz，甚至更高，工作频率的提高带来的好处是电源系统的体积降低，但是，缺点就是开关损耗会增加。

功率MOSFET在进一步减小导通电阻、降低导通损耗的同时，也要降低相应的寄生电容值，以降低开关损耗。开关电源系统高频高效的设计要求，也促使功率MOSFET内部结构不断优化，技术平台不断进步。

寄生电容降低，导致BUCK变化器上管开关速度越来越快。上管的开关速度越快，开关损耗越低，但是，也会产生以下问题：

（1）上管开通速度太快，开关节点的电压尖峰过高，会影响下管长期工作的可靠性；

（2）上管开通速度太快，开关节点的电压变化率dV/dt过大，会产生EMI的问题；同时，会在下管的栅极耦合感应出电压，导致下管误开通。

（3）上管关断速度太快，开关节点负压尖峰过高，对PWM IC驱动部分或驱动IC产生问题，如输入信号逻辑错误，内部ESD等保护器件因为过电流而发生损坏；同时还会导致上管发生过压，影响上管长期工作的可靠性。

开关节点是上、下管以及输出电感的连接点，在系统PCB板上，对应着一块区域，包括上管的源极S、下管的漏极D、输出电感的管脚SW以及连接这些点的PCB的铜皮。

BUCK变换器开关节点的电压尖峰、电压变化率dV/dt、下管的栅极耦合感应电压，和上管的开通速度、下管寄生体二极管的反向恢复特性，以及它们组成的环路都直接相关。

BUCK变化器在实际设计过程中，需要对系统效率、开关节点电压的正向过冲、负向过冲、下管栅极耦合感应电压等因素进行综合考虑，折衷平衡，设计出满足要求的系统。

包含相关寄生元件的BUCK变化器的原理图，如图1所示。图1中，功率MOSFET方框内为其内部的寄生元件，包括封装的寄生电感。主功率回路在PCB板上对应的寄生电感，分别如图1、图2所示。

图1中，包括上管漏极D到输入电容的寄生电感，上管源极S到输出电感的寄生电感，上管栅极G到IC驱动输出的寄生电感，上管源极S到其IC驱动返回端的寄生电感；下管漏极D到输出电感的寄生电感，下管源极S到输入电容负（地）端的寄生电感，下管栅极G到IC驱动输出的寄生电感，下管源极S到其IC驱动返回端的寄生电感。