淺談電源模塊同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象

負(fù)載點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (POL) 或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS) 等供電系統(tǒng)都廣泛采用同步降壓轉(zhuǎn)換器。這種同步降壓轉(zhuǎn)換器采用高端及低端的 MOSFET 取代傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的箝位二極管，以便降低負(fù)載電流的損耗。

工程師設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時經(jīng)常忽視“擊穿”的問題。每當(dāng)高端及低端 MOSFET 同時全面或局部啟動時，便會出現(xiàn)“擊穿”的現(xiàn)象，使輸入電壓可以將電流直接輸送到接地。

擊穿現(xiàn)象會導(dǎo)致電流在開關(guān)的一瞬間出現(xiàn)尖峰，令轉(zhuǎn)換器無法發(fā)揮其最高的效率。我們不可采用電流探頭測量擊穿的情況，因?yàn)樘筋^的電感會嚴(yán)重干擾電路的操作。我們可以檢查兩個場效應(yīng)晶體管 (FET) 的門極/源極電壓，看看是否有尖峰出現(xiàn)。這是另一個檢測擊穿現(xiàn)象的方法。(上層 MOSFET 的門極/源極電壓可以利用差分方式加以監(jiān)測。)

我們可以利用以下的方法減少擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。

采用設(shè)有“固定死區(qū)時間”的控制器芯片是其中一個可行的辦法。這種控制器芯片可以確保上層 MOSFET 關(guān)閉之后會出現(xiàn)一段延遲時間，才讓下層 MOSFET 重新啟動。這個方法較為簡單，但真正實(shí)行時則要很小心。若死區(qū)時間太短，可能無法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。若死區(qū)時間太長，電導(dǎo)損耗便會增加，因?yàn)榈讓訄鲂?yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時間內(nèi)一直在啟動。由于這個二極管會在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)電，因此采用這個方法的系統(tǒng)效率便取決于底層 MOSFET 的內(nèi)置二極管的特性。

另一個減少擊穿的方法是采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時間”的控制器芯片。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不斷監(jiān)測上層 MOSFET 的門極/源極電壓，以便確定何時才啟動底層 MOSFET。高端 MOSFET 啟動時，會通過電感感應(yīng)令低端 MOSFET 的門極出現(xiàn) dv/dt 尖峰，以致推高門極電壓。若門極/源極電壓高至足以將之啟動，擊穿現(xiàn)象便會出現(xiàn)。

自適應(yīng)死區(qū)時間控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測 MOSFET 的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實(shí)際上會比控制器監(jiān)控的電壓高。

預(yù)測性門極驅(qū)動是另一個可行的方案，辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時間延遲，以便將內(nèi)置二極管的導(dǎo)電減至最少，確保系統(tǒng)可以發(fā)揮最高的效率。若采用這個方法，控制器芯片需要添加更多引腳，以致芯片及電源模塊的成本會增加。

有一點(diǎn)需要注意，即使采用預(yù)測性門極驅(qū)動，也無法保證場效應(yīng)晶體管不會因?yàn)?dv/dt 的電感感應(yīng)而啟動。

延遲高端 MOSFET 的啟動也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象，但缺點(diǎn)是開關(guān)損耗較高，而效率也會下降。我們?nèi)暨x用較好的 MOSFET，也有助縮小出現(xiàn)在底層 MOSFET 門極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門極上出現(xiàn)的電感電壓便越低。

擊穿的測試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過程中——尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或突然減少時——控制器會不斷產(chǎn)生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統(tǒng)都采用多相位設(shè)計(jì)，利用驅(qū)動器芯片驅(qū)動 MOSFET。但采用驅(qū)動器芯片會令擊穿問題更為復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過程之中。例如，窄頻驅(qū)動脈沖的干擾，再加上驅(qū)動器出現(xiàn)傳播延遲，都會導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。

大部分驅(qū)動器芯片生產(chǎn)商都特別規(guī)定控制器的脈沖寬度必須不可低于某一最低的要求，若低于這個最低要求，便不會有脈沖輸入 MOSFET 的門極。

此外，生產(chǎn)商也為驅(qū)動器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時間 (TRT) 的功能，以增強(qiáng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時間引腳與接地之間加設(shè)一個可用以設(shè)定死區(qū)時間的電阻，以確定高低端轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時間。這個死區(qū)時間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過程中的互補(bǔ)性 MOSFET 關(guān)閉，以免同步降壓轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)擊穿情況。

fqj