作者：Abe Ibraheim，核心應用部實習生，

Kenneth Armijo，核心應用部工程師，

Piyu Dhaker，資深工程師

問題

當輸入和輸出電壓接近時，為什么難以獲得穩(wěn)定的輸出電壓？

回答

占空比過大或過小（尤其是在高開關(guān)頻率下）可能會導致時序不符合規(guī)格要求，進而造成系統(tǒng)性能下降。

摘要

本文是系列文章中的第三篇，該系列文章將討論常見的開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的功率級設(shè)計中面臨的復雜難題，重點關(guān)注功率晶體管和自舉電容。功率晶體管具有最小和最大占空比，如果違反限值，將會導致SMPS性能下降。此外，如果忽略自舉電容，晶體管將無法正常工作。

引言

在本文中，降壓轉(zhuǎn)換器用于演示忽視功率晶體管時序規(guī)范的影響，以及移除自舉電容時會發(fā)生什么情況。有關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器工作原理的詳細介紹，請參閱本系列的第一篇文章“開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施：電感器不符合規(guī)格要求”。功率晶體管具有最小導通和關(guān)斷時間要求，以確保FET柵極電容正確充電和放電，從而保證晶體管完全導通和關(guān)斷。如果忽略這些要求（例如為了獲得更快的開關(guān)速度），就會出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定和開關(guān)頻率錯亂等問題。此外，自舉電容對于維持這些晶體管的運行至關(guān)重要。若沒有自舉電容，晶體管就不會有足夠的驅(qū)動強度，導致無法完全導通。

什么是自舉電容？

自舉電容負責維持頂部N溝道MOSFET正常運行。圖1的橙色高亮部分顯示了這一點。

圖1.LT8610數(shù)據(jù)手冊中展示自舉電容功能的框圖。

當頂部N溝道MOSFET閉合時，開關(guān)節(jié)點的電位與輸入源大致相同。這意味著頂部MOSFET的源極電壓高于柵極電壓（來自柵極驅(qū)動器）。若沒有高于NMOS閾值電壓的正柵源電壓，MOSFET將無法導通。因此，需要使用自舉電容來確保柵極電壓始終高于源極電壓。

忽略自舉電容

省略自舉電容不會給設(shè)計人員帶來什么明顯的好處，這樣做可能是為了縮減BOM尺寸和成本，或者僅僅是忘記包含這些元件。然而，此決定會帶來負面影響，因為要幫助芯片為頂部FET的柵極提供足夠的電壓以使其完全導通，自舉電容是必不可少的，如圖2所示。

圖2.無自舉電容的開關(guān)節(jié)點。

如果頂部FET未完全導通，器件將無法調(diào)節(jié)輸出電壓。FET將在線性區(qū)域內(nèi)工作，消耗大量功率并使芯片升溫。

為了解決這個問題，設(shè)計人員必須添加自舉電容。設(shè)計人員如果不確定要添加多大的電容，則應在數(shù)據(jù)手冊示例中選擇一個最接近其應用的值。如果器件需要自舉電容，忘記添加該電容將導致SMPS故障。添加自舉電容將能讓頂部柵極驅(qū)動器有足夠的驅(qū)動強度來操作處于飽和區(qū)的FET，使其充當開關(guān)，并向SW節(jié)點提供全部輸入電壓。這一點可以從圖3中看出。

圖3.帶自舉電容的開關(guān)節(jié)點。

違反最小導通時間規(guī)范

設(shè)計人員常常選擇較高的開關(guān)頻率以減小電路板尺寸，但由于開關(guān)損耗增加，能效比會降低。然而，當器件具有高頻率和高降壓比時，占空比會被迫變小，并可能降至最小占空比值以下。最小占空比如公式1所示。

其中，tmin-on定義為電感由輸入源充電的最短時間。開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有規(guī)定的最小導通時間值，設(shè)計人員必須遵守該值以確保FET正常運行（因為FET無法瞬間完成切換）。設(shè)計人員可以自由選擇開關(guān)頻率。然而，當指定的開關(guān)頻率過高以及降壓比過大時，導通時間就會被迫低于最小值。

當導通時間被迫低于其最小值時，電感電流在一個周期內(nèi)的放電速度將比充電速度更快。當新的周期開始時，起點將低于前幾個周期的起點，這種現(xiàn)象被稱為電流降。最終，電流和輸出電壓都會下降到很低的程度，以至于器件內(nèi)部產(chǎn)生更大的占空比（具有更長的導通時間）來調(diào)節(jié)輸出電壓，如圖4所示。

圖4.違反最小導通時間的電流波形。

電感電流紋波的下降也會在轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中表現(xiàn)出來。輸出電壓紋波變得更加嘈雜，這可能會影響敏感負載并降低EMI性能。此影響可以從圖5中看出。

圖5.違反最小導通時間的輸出波形。

這個問題有一個簡單的解決辦法。導通時間主要受開關(guān)頻率影響，因此設(shè)計人員可以通過降低頻率來解決該問題。但這樣做的代價是需要更大的功率級元件，主要是更大的電感。降壓轉(zhuǎn)換器的功能改進體現(xiàn)在周期間一致的導通時間，以及圖6中穩(wěn)定的電流紋波和圖7中穩(wěn)定的輸出紋波。

圖6.穩(wěn)定的電流紋波。

圖7.穩(wěn)定的輸出紋波。

違反最小關(guān)斷時間規(guī)范

某些應用可能需要較小的降壓比，這可能會違反轉(zhuǎn)換器的最小關(guān)斷時間規(guī)范。tmin-off是tmin-on的補充，定義為電感未由輸入源充電的最短時間。與導通時間要求類似，SMPS必須關(guān)斷規(guī)定的時間以確保FET正常運行（允許正常放電）。當要求的占空比大于允許的最大占空比（由式2給出）時，就會違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。

如果占空比超過最大值，SMPS將折返其配置的頻率，以避免違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。這一點可以從圖8中看出。器件最初配置為2 MHz頻率。

圖8.違反最小關(guān)斷時間的電流波形。頻率折返至335 kHz。

圖9.負載調(diào)整和折返頻率。隨著負載增大，頻率會折返以維持穩(wěn)定的輸出電壓。

在圖9中可以看到，隨著負載增加，器件頻率會折返以保持恒定的輸出電壓。器件在DCM下運行至約0.28 A，這就是頻率下降到約495 kHz然后又回升至657 kHz的原因。以657 kHz的頻率運行時，器件可以保持正常操作，直至負載達到0.7 A。此時頻率降低以保持適當?shù)妮敵鲭妷海敝霖撦d達到1.4 A左右。發(fā)生這種情況時，器件無法在保持輸出電壓的同時將頻率降低到100 kHz以下（該器件指定的最低反饋頻率），因此輸出電壓開始下降。

這個問題的解決辦法不像違反最小導通時間規(guī)范那么簡單。設(shè)計人員通常需要滿足特定的輸入電壓和輸出電壓要求，因此無法隨意更改占空比來延長關(guān)斷時間。如果設(shè)計人員可以提供更大的輸入電壓，則器件將以設(shè)定的頻率工作，因為較小占空比會防止器件違反最小關(guān)斷時間規(guī)范。這一點可以從圖10中看出，其中器件以設(shè)定的2 MHz頻率運行。

圖10.未違反最小關(guān)斷時間的電流波形。設(shè)定頻率為2MHz。

與最小導通時間相反，降低頻率只會在一定負載以下起作用。如果設(shè)計人員不能充分降低開關(guān)頻率以避免違反最小關(guān)斷時間規(guī)范，那么理想的做法是選擇另一種能夠處理更高占空比和更短導通時間的器件。

結(jié)論

本文是關(guān)于SMPS常見設(shè)計問題的系列文章的最后一篇，重點討論如何讓功率晶體管保持正常運行。占空比要求過高或過低都會使開關(guān)轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定，進而造成不良后果，例如開關(guān)頻率降低、輸出電壓不穩(wěn)定以及電感在電流方面的性能不良等。此外，忽略自舉電容不僅會妨礙晶體管正常工作，還可能對負載、晶體管或芯片本身造成嚴重后果。

關(guān)于ADI

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn

作者簡介

Abe Ibraheim是核心應用部的實習生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工學院一名大三學生，正在攻讀電氣和計算機工程學士和碩士學位。他的專業(yè)方向是微電子和電力系統(tǒng)。

Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，擔任核心應用部助理工程師。他擁有伍斯特理工學院電氣工程和機器人工程兩個學士學位，還擁有電氣工程碩士學位。他專注于電源管理電路（主要是開關(guān)穩(wěn)壓器）的設(shè)計和實現(xiàn)。

Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應用部的一名應用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學，獲電氣工程碩士學位。2017年6月加入北美核心應用部。她還曾在ADI的汽車動力總成部和電源管理部工作。