同步BUCK降压变换器开关节点负压尖峰及影响
时间：2021-08-19 16:35:15
[导读]同步BUCK降压变化器开关节点SW的电压波形VSW如图1所示，Vin=19V，Vo=1V，fsw=900k，L=250nH，在保证测量方法正确的前提下，可以发现，开关节点的电压VSW的下降沿，会出现负压尖峰，图1中的负压尖峰为-6.9V。 图1：同步BUCK变化器工作波形 功率M...
同步BUCK降压变化器开关节点SW的电压波形VSW如图1所示，Vin=19V，Vo=1V，fsw=900k，L=250nH，在保证测量方法正确的前提下，可以发现，开关节点的电压VSW的下降沿，会出现负压尖峰，图1中的负压尖峰为-6.9V。
图1：同步BUCK变化器工作波形 功率MOSFET包含PCB布线或铺铜的寄生电感的参数模型如图2所示，其中，TH，TL分别为BUCK变换器的上管和下管，LD-L1为下管漏极D管脚到输出电感的引线电感，LS-L1、 LS-L2为下管源极S管脚到输入电容负端的引线电感。 图2：BUCK变换器上、下管参数模型 开关节点负压尖峰其产生的原因在于：上管关断、下管开通的过程中，上管的电流逐渐减小,下管的电流逐渐增加，那么，下管及其回路的寄生电感，会阻止其电流的增加，产生的感应电压的方向为上负下正，于是，测量的开关节点的电压，就出现了负电压。
（a）下管寄生电感感应电压方向（b）整个回路寄生电感感应电压方向图3：开关节点负压的产生 开关节点的负压尖峰，与下管回路的总体寄生电感LTL、上管开通的di/dt直接相关，LTL、di/dt越大，开关节点的负压尖峰越大：-VSW= LTL*di/dt 通常测量开关节点的电压时，示波器的探头地，会放在下管的源极S管脚。在实际的PCB设计中，PWM或驱动IC的地，通常连结到输入大电容的地端，如果示波器的探头地，放在输入电容的地端，这个回路的电感更大，测量到的负压尖峰会更大。 PWM或驱动IC内部，上、下管驱动输出端，有许多保护的ESD二极管，内部的等效电路如图4所示。其中，DL1、DL2、DL3为下驱动器的VCC、输出Lo的保护ESD二极管，DH1、DH2、DH3为上驱动的VB、输出Ho的ESD保护二极管，D1为芯片自举驱动最高的电压点VB的ESD保护二极管。 图4：IC内部驱动输出端ESD保护 如果上管关断速度太快、回路寄生电感过大，开关节点VSW的瞬态负压过大，导致上管发生过压而产生雪崩，影响上管长期工作的可靠性，同时还会导致以下问题; 1、在下管开通的状态下，上管应该是关断的，驱动器的输入端应该是低电平，由于输入端拉低不是理想的0阻值，而是具有一定的阻抗，VSW的负压就有可能将上驱动器的输入信号的电平拉高，输入信号逻辑错误导致上驱动器误触发输出高电平，上、下管直通发生短路。 2、自举电容CB的电压过冲，极端条件下，过高的电压导致DH1发生损坏，由IC内部DH1保护二极管的最大功率决定。在一些设计中，为了提高ESD保护的功率，会采用SCR晶闸管结构，在大的工作电流下，会发生闩锁效应，导致系统不能正常工作。
图5：VSW负压导致自举电容过充 3、如果VSW的瞬态负压更大，导致VB也瞬态产生负压，如图6所示，D1导通，流过大的正向电流，因为过功率而发生损坏，如图6所示；同样，为了提高ESD保护的功率，如果D1采用SCR晶闸管结构，在大的工作电流下，也会发生闩锁效应，导致系统不能正常工作，或者输出逻辑发生紊乱，导致上、下管直通发生短路。
图6：VSW负压导致自举保护ESD导通 为了降低开关节点的负压尖峰，除了在PCB布局上尽可能减少回路的寄生电感外，可以采用以下方法：
1、降低上管的关断速度
降低上管的关断速度，降低di/dt，减小负压的尖峰，从而降低负压电流。上管的关断速度降低，上管的关断损耗会变大，因此，需要在二种之间做一些折衷处理。 降低上管的关断速度，有下面几种方法进行调整： （1）增加上管栅极外部串联驱动电阻RG-H1 （2）上管自举驱动电路VB和CB之间外加串联电阻 （3）增加上管源极外部串联的PCB引线电感 以前文章专门绍过，方法三是一种对关断损耗、系统效率影响最小的方案，特别是系统在高频工作的条件下。
2、IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻
如果在PWM或驱动IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻RSW，如图7所示，这样不但可以降低上管的关断速度，降低di/dt，减小负压的尖峰；同时，由于RSW串联在D1以及其他保护二极管回路中，就可以进一步的减小流过D1以及其他保护二极管的电流，从而避免发出过流损坏或闩锁效应。
图7：RSW放在自举电容CB内侧 RSW放在自举电容CB的左边（内侧），RSW只降低上管的关断速度，不影响其开通速度，如图7所示。如果RSW放在CB的右边（外侧），如图8所示，和串联在G栅极一样，将同时降低上管关断速度和开通速度。但是，串联在G栅极的电阻，无法起到减小内部的ESD二极管的电流的作用。
图8：RSW放在自举电容CB外侧 3、IC的地端串联电阻
PWM或驱动IC的地端与输入电容的地端串联电阻，同样可以降低负压电流，实际应用中，不推荐这种方式。
4、IC的SW管脚和地之间并联稳压管
PWM或驱动IC的SW管脚和地之间并联稳压管，稳压管要求距离尽可能的靠近管脚，并且响应的速度要满足要求，在实际的应用中，并联稳压管并不是总是有效。 上管栅极外部串联不同电阻，测量条件：Vin=19V, Vo=1V, Vdri=12V, fsw=900kHz, L=250nH，测量的VSW负压尖峰、效率如图9、图10所示，效率曲线中，不包括驱动和电感的损耗。开关节点串联不同电阻，测量的VSW负压尖峰如图11所示。
图9：上管栅极串联不同电阻的VSW负压
图10：上管栅极串联不同电阻的效率
图11：开关节点串联不同电阻的VSW负压
图1：同步BUCK变化器工作波形 功率MOSFET包含PCB布线或铺铜的寄生电感的参数模型如图2所示，其中，TH，TL分别为BUCK变换器的上管和下管，LD-L1为下管漏极D管脚到输出电感的引线电感，LS-L1、 LS-L2为下管源极S管脚到输入电容负端的引线电感。 图2：BUCK变换器上、下管参数模型 开关节点负压尖峰其产生的原因在于：上管关断、下管开通的过程中，上管的电流逐渐减小,下管的电流逐渐增加，那么，下管及其回路的寄生电感，会阻止其电流的增加，产生的感应电压的方向为上负下正，于是，测量的开关节点的电压，就出现了负电压。
（a）下管寄生电感感应电压方向（b）整个回路寄生电感感应电压方向图3：开关节点负压的产生 开关节点的负压尖峰，与下管回路的总体寄生电感LTL、上管开通的di/dt直接相关，LTL、di/dt越大，开关节点的负压尖峰越大：-VSW= LTL*di/dt 通常测量开关节点的电压时，示波器的探头地，会放在下管的源极S管脚。在实际的PCB设计中，PWM或驱动IC的地，通常连结到输入大电容的地端，如果示波器的探头地，放在输入电容的地端，这个回路的电感更大，测量到的负压尖峰会更大。 PWM或驱动IC内部，上、下管驱动输出端，有许多保护的ESD二极管，内部的等效电路如图4所示。其中，DL1、DL2、DL3为下驱动器的VCC、输出Lo的保护ESD二极管，DH1、DH2、DH3为上驱动的VB、输出Ho的ESD保护二极管，D1为芯片自举驱动最高的电压点VB的ESD保护二极管。 图4：IC内部驱动输出端ESD保护 如果上管关断速度太快、回路寄生电感过大，开关节点VSW的瞬态负压过大，导致上管发生过压而产生雪崩，影响上管长期工作的可靠性，同时还会导致以下问题; 1、在下管开通的状态下，上管应该是关断的，驱动器的输入端应该是低电平，由于输入端拉低不是理想的0阻值，而是具有一定的阻抗，VSW的负压就有可能将上驱动器的输入信号的电平拉高，输入信号逻辑错误导致上驱动器误触发输出高电平，上、下管直通发生短路。 2、自举电容CB的电压过冲，极端条件下，过高的电压导致DH1发生损坏，由IC内部DH1保护二极管的最大功率决定。在一些设计中，为了提高ESD保护的功率，会采用SCR晶闸管结构，在大的工作电流下，会发生闩锁效应，导致系统不能正常工作。
图5：VSW负压导致自举电容过充 3、如果VSW的瞬态负压更大，导致VB也瞬态产生负压，如图6所示，D1导通，流过大的正向电流，因为过功率而发生损坏，如图6所示；同样，为了提高ESD保护的功率，如果D1采用SCR晶闸管结构，在大的工作电流下，也会发生闩锁效应，导致系统不能正常工作，或者输出逻辑发生紊乱，导致上、下管直通发生短路。
图6：VSW负压导致自举保护ESD导通 为了降低开关节点的负压尖峰，除了在PCB布局上尽可能减少回路的寄生电感外，可以采用以下方法：
1、降低上管的关断速度
降低上管的关断速度，降低di/dt，减小负压的尖峰，从而降低负压电流。上管的关断速度降低，上管的关断损耗会变大，因此，需要在二种之间做一些折衷处理。 降低上管的关断速度，有下面几种方法进行调整： （1）增加上管栅极外部串联驱动电阻RG-H1 （2）上管自举驱动电路VB和CB之间外加串联电阻 （3）增加上管源极外部串联的PCB引线电感 以前文章专门绍过，方法三是一种对关断损耗、系统效率影响最小的方案，特别是系统在高频工作的条件下。
2、IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻
如果在PWM或驱动IC的SW管脚和开关节点之间串联电阻RSW，如图7所示，这样不但可以降低上管的关断速度，降低di/dt，减小负压的尖峰；同时，由于RSW串联在D1以及其他保护二极管回路中，就可以进一步的减小流过D1以及其他保护二极管的电流，从而避免发出过流损坏或闩锁效应。
图7：RSW放在自举电容CB内侧 RSW放在自举电容CB的左边（内侧），RSW只降低上管的关断速度，不影响其开通速度，如图7所示。如果RSW放在CB的右边（外侧），如图8所示，和串联在G栅极一样，将同时降低上管关断速度和开通速度。但是，串联在G栅极的电阻，无法起到减小内部的ESD二极管的电流的作用。
图8：RSW放在自举电容CB外侧 3、IC的地端串联电阻
PWM或驱动IC的地端与输入电容的地端串联电阻，同样可以降低负压电流，实际应用中，不推荐这种方式。
4、IC的SW管脚和地之间并联稳压管
PWM或驱动IC的SW管脚和地之间并联稳压管，稳压管要求距离尽可能的靠近管脚，并且响应的速度要满足要求，在实际的应用中，并联稳压管并不是总是有效。 上管栅极外部串联不同电阻，测量条件：Vin=19V, Vo=1V, Vdri=12V, fsw=900kHz, L=250nH，测量的VSW负压尖峰、效率如图9、图10所示，效率曲线中，不包括驱动和电感的损耗。开关节点串联不同电阻，测量的VSW负压尖峰如图11所示。
图9：上管栅极串联不同电阻的VSW负压
图10：上管栅极串联不同电阻的效率
图11：开关节点串联不同电阻的VSW负压
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