驅(qū)動芯片在PSU電源系統(tǒng)應(yīng)用中有哪些問題？如何解決？

通信電源PSU在通訊設(shè)備中擔(dān)任著很重要的角色，PSU問題將會導(dǎo)致整個通訊設(shè)備無法正常運(yùn)作。常見的通信電源PSU拓?fù)溆袠蚴?、推挽以及正在興起的非隔離IBB架構(gòu)。所有這些應(yīng)用場景都離不開驅(qū)動芯片。在驅(qū)動芯片的應(yīng)用過程中，常見的兩類問題是異常丟波現(xiàn)象以及輸出通道的誤脈沖，他們會隨著芯片、系統(tǒng)設(shè)計上的差異而時常出現(xiàn)在我們的應(yīng)用中，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致MOS管甚至整個產(chǎn)品的損壞。本文主要從應(yīng)用角度分析了問題的產(chǎn)生原因以及相應(yīng)的設(shè)計解決方案，確保在設(shè)計過程中不會引入可能的風(fēng)險。

1.驅(qū)動芯片在 PSU電源系統(tǒng)中的應(yīng)用簡介

在通訊設(shè)備中，系統(tǒng)的供電來源是由前級的PSU供電單元提供的。常見的通信PSU輸出分為12V和48V，12V用于給板上數(shù)字部分供電，48V多用于給功放模塊供電。通信PSU常用拓?fù)浼軜?gòu)有推挽、半橋、全橋，不同的拓?fù)浼軜?gòu)通常根據(jù)不同的應(yīng)用場景以及供電需求決定。在通信電源的PA供電部分，IBB（inverting buck-boost）拓?fù)鋺{借其不需要隔離，小體積，低成本的優(yōu)勢越來越多的成為在48V PA供電場景的選擇。TI的雙通道隔離驅(qū)動器如 系列，其兩個通道的偏壓供電可以根據(jù)需求靈活配置，芯片內(nèi)部抗干擾能力強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于驅(qū)動各類拓?fù)浼軜?gòu)中的MOS管。

Figure 1. 通信電源PSU的常見應(yīng)用

2.驅(qū)動芯片異常丟波問題
通常隔離驅(qū)動芯片用于驅(qū)動橋式拓?fù)渲械纳舷聵虮?，或在管?/p>

Figure 2. IBB典型應(yīng)用拓?fù)?/p>

下面兩張圖分別是實(shí)際應(yīng)用中遇到的以及在EVM板上復(fù)現(xiàn)的發(fā)波異?，F(xiàn)象。其中CH1為輸入側(cè)的驅(qū)動波形，CH2為相應(yīng)通道的驅(qū)動輸出波形（VGS）。可以看到在兩個案例中驅(qū)動的輸出都出現(xiàn)了異常的輸入信號存在但輸出信號異常丟失的現(xiàn)象。該異常發(fā)波會導(dǎo)致PSU不正常工作，如果不及時斷開負(fù)載，還會造成MOS管的損壞。

Figure 3. 實(shí)際應(yīng)用中遇到的丟波現(xiàn)象

Figure 4. 在EVM板上通過特定條件復(fù)現(xiàn)的丟波現(xiàn)象

其中實(shí)際異常觸發(fā)條件：48V/1000W系統(tǒng)，IBB拓?fù)?，開關(guān)頻率250kHz，驅(qū)動器每個通道驅(qū)動5個并聯(lián)MOS管，柵極串阻2.2ohm。EVM板復(fù)現(xiàn)條件：14V/100A負(fù)載，通過反復(fù)接入斷開負(fù)載可以復(fù)現(xiàn)問題。

2.1 針對異常丟波問題的原理分析

通過對信號進(jìn)行分析，以上兩種情景的一個共同條件是供電軌VDD都受到了不同程度的干擾，下圖是實(shí)際問題的展開波形，可以看到CH4為VDD，在問題發(fā)生時接受到了比較大的干擾信號。

Figure 5. 異常丟波問題的展開波形

基于下面典型的驅(qū)動框圖分析干擾的來源，如果在驅(qū)動的輸出端（OUT）有較大信號波動或是噪聲（該擾動可以是負(fù)載變化導(dǎo)致，也可能是開關(guān)引入的噪聲），通過芯片內(nèi)部上管的體二極管傳播至VDD引腳。由于擾動是通過內(nèi)部電路及寄生參數(shù)產(chǎn)生和傳遞，無法通過外部濾波電路濾除，所以即使調(diào)整外部濾波電容值，也沒法很好的改善該異常現(xiàn)象。

VDD引腳上的干擾信號，進(jìn)一步又會通過內(nèi)部供電LDO的體二極管擾亂內(nèi)部供電模塊輸出電壓，或是干擾內(nèi)部供電模塊的邏輯電路，最終使內(nèi)部電壓跌落至芯片的UVLO，將特定通道的輸出關(guān)斷。在內(nèi)部電壓迅速恢復(fù)至UVLO以上后，芯片會延時大約50us后，恢復(fù)OUT引腳的正常輸出。同理如果在VSS引腳上有大的干擾時，也會對內(nèi)部電路造成類似影響。

Figure 6. 典型驅(qū)動芯片輸出部分電路結(jié)構(gòu)

2.2 如何從系統(tǒng)設(shè)計上優(yōu)化異常丟波問題

要防止丟波問題的出現(xiàn)，需要保證VDD信號的穩(wěn)定，減小電源噪聲并減小耦合噪聲的干擾，可從以下幾個方面進(jìn)行：1. 增大RG或增加串聯(lián)磁珠；3.多管并聯(lián)系統(tǒng)中注意系統(tǒng)設(shè)計。

解決干擾問題一個簡單有效的方式就是增大RG，柵極串聯(lián)電阻RG會影響柵極電路上的震蕩以及耦合到芯片內(nèi)部的干擾信號大小。下圖是常見應(yīng)用中的輸出部分的等效模型，輸入電容（圖中Cgd+Cgs）和源級電感Ls（圖中L4）之間會產(chǎn)生較大的諧振，增加合適的RG則有利于抑制震蕩，同時使開關(guān)速度設(shè)定在合理的范圍，保證系統(tǒng)高效工作。

Figure 7. 驅(qū)動電路簡化等效模型

為了初步評估系統(tǒng)中存在的寄生電感Ls，我們在不接RG條件下測量震蕩波形。由LC諧振公式：

，通過觀察振鈴的震蕩頻率可以得到：

。在選擇RG上令系統(tǒng)處于臨界阻尼到欠阻尼狀態(tài)即可：

（另外需要再減去驅(qū)動和MOS管部分的電阻值）。實(shí)際測試過程中，可以從Q=1/2開始測試所選電阻值以及觀察MOS管的開關(guān)速度以及震蕩情況是否能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，如果開關(guān)速度不夠可以適當(dāng)減小RG或是選擇驅(qū)動電流能力更強(qiáng)的驅(qū)動器，如果震蕩情況影響系統(tǒng)性能，則適當(dāng)增加RG。下面是在問題系統(tǒng)中，適當(dāng)增加RG后的測試結(jié)果，可以看到RG增大后，問題得到顯著改善。

Figure 8. 實(shí)際應(yīng)用電路中柵極電阻設(shè)置為2ohm的問題波形

Figure 9. 實(shí)際應(yīng)用電路中柵極電阻增大為75ohm問題消失

對于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，增大RG會帶來系統(tǒng)的損耗以及開關(guān)速度的變慢，往往對于特定設(shè)計系統(tǒng)，RG期望的阻值會小于10ohm，因此該方案有很多限制。

除了增大RG，另一個行之有效的方案是在柵極串入磁珠，相較于電阻的方案磁珠在低頻條件下阻值更低，在不影響驅(qū)動電流，不改變開關(guān)表現(xiàn)前提下又能夠很好的抑制高頻下的耦合噪聲。

Figure 10. (a) 磁珠阻抗與頻率的關(guān)系 (b) RG與磁珠在電路中的作用原理

在多管并聯(lián)的布板設(shè)計中，應(yīng)該盡可能保證每一個MOS管的柵極電阻都靠近各自的MOS管，而不是將各電阻集中并聯(lián)，參考下圖所示。左圖所示布板方案可能會導(dǎo)致并聯(lián)MOS管線路之間發(fā)生均流震蕩，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

Figure 11. (a) 發(fā)生丟波問題的電路設(shè)計 (b) 優(yōu)化后正常發(fā)波的電路設(shè)計

3.驅(qū)動芯片輸出引腳誤脈沖現(xiàn)象
驅(qū)動芯片在應(yīng)用過程中另一個常見的問題是，在沒有輸入信號的情況下，對應(yīng)的輸出通道出現(xiàn)異常脈沖的現(xiàn)象。該誤脈沖可能會超過MOS管的開通閾值，造成不期望的MOS管誤開通以及很嚴(yán)重的系統(tǒng)直通情況。下圖是實(shí)際應(yīng)用中遇到的誤脈沖現(xiàn)象，CH2是驅(qū)動芯片LO，CH1是HO，起機(jī)過程中，輸入信號控制LO進(jìn)行開關(guān)動作，而在HO對應(yīng)輸入為低電平。理論上HO應(yīng)該與輸入信號一致為低，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在HO引腳看到了一定幅值的脈沖信號。

Figure 12. 起機(jī)過程中出現(xiàn)的誤脈沖現(xiàn)象

起機(jī)過程中的誤脈沖信號，會給PSU系統(tǒng)帶來可靠性風(fēng)險，嚴(yán)重情況下可能出現(xiàn)直通現(xiàn)象，損壞供電系統(tǒng)。

3.1 誤脈沖現(xiàn)象成因分析

下面為驅(qū)動芯片典型的內(nèi)部框圖，在VDD-VSS之間的電壓建立至內(nèi)部UVLO閾值之前，芯片內(nèi)部的Rclamp會起作用，將OUT下拉到地。在VDD-VSS之間電壓上升至UVLO閾值以上后，芯片的輸出完全由輸出通道內(nèi)部的上下管開關(guān)來決定：輸入信號為高時輸出上拉至VDD，輸入信號為低時輸出下拉到地，以此保證輸出邏輯正確。通常誤脈沖現(xiàn)象出現(xiàn)在VDD-VSS之間電壓建立至UVLO之前。

Figure 13. 驅(qū)動芯片內(nèi)部下拉電路典型框圖

在VDD-VSS低于UVLO期間，芯片內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號，來開通Rclamp電路（為MOS管結(jié)構(gòu)，Rclamp實(shí)際為MOS管導(dǎo)通電阻）。該驅(qū)動信號的產(chǎn)生會在VDD-VSS建立電壓后，經(jīng)過一定延時（大約幾十微秒，隨芯片不同而不同）產(chǎn)生，同時信號的產(chǎn)生到下拉電路的完全開通是需要一定的時間的，這兩個因素導(dǎo)致了，當(dāng)VDD-VSS之間電壓上升過快時，內(nèi)部驅(qū)動信號來不及將下拉電路打開，從而在起機(jī)期間芯片無法很好的實(shí)現(xiàn)下拉功能。這種情況下當(dāng)輸出引腳有耦合噪聲的存在時，我們會在柵極路徑上看到誤脈沖。

3.2 誤脈沖的預(yù)防與解決方案

因?yàn)檎`脈沖問題是由于內(nèi)部下拉電路反應(yīng)時間的差異化所導(dǎo)致，優(yōu)化思路可以是將VDD-VSS建立過程放緩，或是在系統(tǒng)設(shè)計時注意給VDD-VSS提供一個預(yù)充電壓，一個可靠的方案則是在電路中增加下拉電路，確保MOS管不會因?yàn)楦蓴_誤觸發(fā)。

3.2.1 調(diào)整BOOT電壓建立速度

VDD-VSS的電壓建立過程是通過RBOOT，二極管，以及下管的導(dǎo)通狀態(tài)給CBOOT電容充電來實(shí)現(xiàn)的。針對RBOOT和CBOOT進(jìn)行數(shù)值調(diào)整，可以將電容充電到穩(wěn)定的時間進(jìn)行延長或縮短。下圖分別展示了不同的RC配置下的VDD-VSS電壓建立過程。

Figure 14. RBOOT=0hom CBOOT=10uF 設(shè)置下的起機(jī)BOOT波形

Figure 15. RBOOT=5hom CBOOT=10uF 設(shè)置下的起機(jī)BOOT波形

CH1為VDD-VSS電壓建立波形，CH4為充電電流波形?？梢钥吹?，適當(dāng)?shù)腞C取值，不僅能夠減小VDD-VSS間的電流尖峰，還有助于將電壓建立的斜率變緩，使內(nèi)部下拉信號有充足的時間來響應(yīng)。
由于市面上驅(qū)動芯片設(shè)計和針對應(yīng)用場景不同，有的二極管集成在芯片內(nèi)部，所以需要使用者在具體應(yīng)用過程中，根據(jù)需要和所用芯片來調(diào)整RC取值，下面是一些RC選擇上的建議：

● 電阻取值一般選擇在1~20ohm，且需要滿足

，其中Ipeak為所選擇二極管的最大電流，V（diode）為二極管上的壓降。

● 有時二極管部分集成在驅(qū)動芯片內(nèi)部，此時可以根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)CBOOT，CBOOT需要能夠保證VDD-VSS上的電壓能夠在UVLO之上：

-因此要求BOOT電容上能承受最大電壓為：

-開關(guān)周期內(nèi)需要提供的電荷量：

-可以計算出BOOT電容的最小值為：

其中：
VDD為驅(qū)動供電電壓；
V(diode)為二極管正向?qū)▔航担?br /> VHBL為VDD-VSS下降沿UVLO，即考慮回差后的UVLO值；
QG是驅(qū)動MOS管的Q值之合；
IHBS是VDD-VSS間漏電流；
IHB是VDD靜態(tài)電流
需要注意的是二極管的反向恢復(fù)應(yīng)力，如上述實(shí)驗(yàn)中的RC組合中開關(guān)頻率約為100kHz，占空比為40%，下管的導(dǎo)通時間大約為6us，則需注意的是在6us下管關(guān)閉時，二極管上的反向恢復(fù)應(yīng)力能夠滿足芯片或是選擇二極管的指標(biāo)要求。

3.2.2 為VDD-VSS建立預(yù)充電壓

另一個解決誤脈沖問題的方案是給VDD-VSS提供一個預(yù)充電壓，這樣能讓內(nèi)部下拉電路的觸發(fā)信號能夠提前響應(yīng)。一個簡便的方式是在上下管VSS之間直接入預(yù)充電阻，這樣在上電后，VDD會通過RBOOT，二極管，預(yù)充電阻來給CBOOT進(jìn)行充電，在下管發(fā)波之前，就能讓內(nèi)部下拉電路提前響應(yīng)，確保VDSS-VSS超過UVLO之前，上管不會出現(xiàn)誤脈沖問題。

Figure 16. 為設(shè)計增加預(yù)充電壓回路

在加入預(yù)充電阻后，系統(tǒng)起機(jī)過程中的測試波形如下所示，通道之間不再有干擾導(dǎo)致的誤脈沖。需要考慮的是系統(tǒng)上電到發(fā)波之間的預(yù)留時間treserve決定了Rpre-charge以及CBOOT的取值。具體參考公式：

Figure 17. 加入VBOOT預(yù)建立電路后的發(fā)波波形

3.2.3 為柵極增加外部下拉電路

如果系統(tǒng)設(shè)計允許，一個保險的方式是在電路中加入下拉電路（下圖中BJT管Q4），當(dāng)柵極電壓受到干擾出現(xiàn)較大波動時，BJT電路會接通，將柵極強(qiáng)行下拉到地防止MOS管的誤開通。

Figure 18. 外部增加?xùn)艠O下拉電路

下圖為加入外部下路電路后的柵極電壓仿真波形。虛線代表之前系統(tǒng)可能存在的柵極干擾，實(shí)線代表加入下拉電路后柵極電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)下拉電路將柵極干擾電壓幅值以及電壓回落所需時間都大大縮小，防止了可能出現(xiàn)的MOS管誤觸發(fā)風(fēng)險。

Figure 19. 下拉電路對柵極電壓擾動改善的仿真結(jié)果