低電壓FET/緩衝器加持 同步降壓電路雜訊顯著改善

作者: Josh Mandelcorn
2011 年 02 月 14 日

閘口電流會短暫流入內部的非蕭特基二極體,直到上端MOSFET啟動為止。此二極體會蓄積電量,一旦由上端開關引出,便會造成極大的振鈴。此振鈴可達到輸入電壓的兩倍,介於50M~100MHz的範圍內,並且會持續幾個週期,而產生系統大量雜訊。
 



大量電壓過衝需要下端MOSFET才能達到較高的額定電壓,而較高的額定電壓一般有較多的閘極電量及較高的導通電阻,這會使得同步降壓的效率增益降低。系統大量雜訊會影響使用電源供應的高頻率電路,處理雜訊問題會占用產品開發週期的大量時間。
 



而若將以下三個設計經過有效併用,有助於減少系統雜訊及電壓過衝。在12伏特(V)系統中可使用25伏特電晶體,如將電阻與「啟動」電容串聯,使上端MOSFET的啟動減緩,而非關閉減緩。其次,加入開關接地節點(Node-to-ground)的緩衝器(Snubber),時間常數約為1.5奈秒。最後,注意配置。輸入電容必須以相當接近的距離繞過主開關,而且緩衝器必須靠近下端MOSFET。
 



降低Vds MOSFET達高傳導/低成本 



新款MOSFET上市時,都具有特定額定Vds電壓的低閘極充電及低導通電阻規格,不過,一般的趨勢是,如果能夠降低額定Vds,對於相同的電流傳導能力而言就能夠減少晶片大小、成本及閘極充電。對於特定的晶片大小或封裝,減少Vds可達到低導通電阻及高電流傳導能力。
 



低閘極充電有助於降低閘極驅動所需的電量而提高效率,另外也能使得低閘極驅動能力的控制器迅速開關,而不須要加入閘極驅動階段。在大量應用中,必須能使用低閘極驅動能力的低成本控制器,才能達到成本目標。
 



緩啟動上端閘極可排除開關過衝 



這個目標是修改上端閘極以減輕下端MOSFET的應力。上端MOSFET迅速關閉會在上端MOSFET汲源極造成應力,不過,在實際的12伏特應用中,這個過衝很少超過7伏特。此外,關閉上端MOSFET的速度也會實質影響效率,另一方面,啟動的速度會影響開關節點的過衝,最高可達輸入電壓的2.5倍,上端MOSFET的啟動速度對於效率則較無影響,因此須要設法減緩上端MOSFET的啟動速度,而非關閉。
 



傳統加入閘極驅動電阻的作法大多是減緩關閉速度,而非啟動速度。而若將電阻加入「啟動」電容將減緩上端FET的啟動速度,對於關閉速度較不影響,這是因為閘極驅動電流在啟動時流經啟動電容,而非在關閉時流經啟動電容。
 



緩衝器避免電壓應力/振鈴 



緩衝器可用以降低電路中特定節點的電壓應力,出現的時間已經有相當長的一段歷史。由於緩衝器會造成耗損,因此設計人員傾向避免使用,不過,加入緩衝器可降低過衝,在不致於造成過多耗損情況下,即可減緩閘極驅動的啟動速度。另外,緩衝器也是迅速抑制50M~100MHz振鈴的唯一方法。
 



從開關接地節點連接的電阻及串聯電容可連接同步降壓電路。根據試驗結果,降低電阻值以達到大約1.0~1.5奈秒的時間常數,最能夠達到過衝減少及振鈴抑制的效果。試驗結果也顯示出位置是減少過衝的關鍵。如果將緩衝器從上端FET附近移至下端FET附近,可將過衝減少6~7伏特。
 



圖1顯示運用上述設計要領的試驗電路,圖2為加入緩衝器之前的主要波形,而圖3則為加入緩衝器之後的波形,可明顯發現,過衝減少6伏特,且振鈴持續時間減少三倍。此外,在負載電流為16安培(A)的另一個應用中,將2,200pF與0.68歐姆串聯的效果最好。在切換頻率為300kHz的情況下,由於緩衝器而增加的耗損預估為Csnubber乘上VIN平方,再乘上切換頻率(在此電路中為45毫瓦,在16安培應用中大約為100毫瓦)。
 



圖1 動力系統示意圖



圖2 加入緩衝器使啟動減緩前的主要波形



圖3 加入緩衝器之後閘極減緩的主要波形



圖4 主要電源零件及緩衝器的較適合配置



鄰近耦合配置抑制過衝/雜訊 



將輸入電容放置在相當靠近下端源極與上端汲極的位置進行耦合,有助於減少系統中出現的過衝及雜訊。雖然鄰近耦合不會使緩衝器抑制振鈴,不過可以縮小550M~100MHz天線的尺寸。在多個6伏特輸入轉換器的高靈敏度高頻率無線射頻應用中,鄰近耦合對於輸入電容所達到的改善,足以解決嚴重的系統層級雜訊問題。
 



圖4即為FET、輸入電容及緩衝器較適合的配置。依據試驗所得到的經驗,以上三種方法都能夠調節同步降壓轉換器的主要波形,因此能夠使用低電壓主開關。調節也能夠避免系統雜訊問題,並加速最終產品推出的時程。雖然使上端啟動減緩且加入緩衝器會造成耗損,不過低電壓FET能夠提升更高的效能。
 



(本文作者任職於德州儀器)

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