電源設計:正確地同步降壓 FET 時序

由於工程師們都在竭盡所能地獲得其電源的最高效率，時序優化正變得越來越重要。在開關期間，存在兩個過渡階段：低壓側開關開啟和高壓側開關開啟。

低壓側開啟開關至關重要，因為該過渡階段幾乎沒有損耗，也即「無損開啟」。在高壓側開關關閉以後，電感電流驅動開關節點電壓無損接地。開啟低壓側開關的最佳時機便為過渡結束時。如果在低壓側開啟以前主體二極體短暫導電，則其無關緊要，因為它不會導致反向恢復損耗。在下一個開關過渡之前，該結點處的過剩載流全部耗散。但是，如果電流仍然長時間存在於主體二極體內，則會有過高的傳導損耗。高壓側 FET 開啟時序是最為重要的過渡。由於同低壓側 FET 存在交叉導通，因此開啟過早會導致直通損耗;開啟過晚又會導致傳導損耗增高，並且會將過剩載流注入低壓側 FET 主體二極體內(必須對其進行恢復)。不管哪種情況，都會降低效率。

為了說明效率與驅動信號之間時序的關係，我構建起了一些具有驅動器信號可調節延遲的電源。之後，我比較了效率與延遲時間，對其存在的關係進行了研究。圖 1A-1C 顯示了結果。

圖 1A 顯示了當高壓側 FET 在低壓側 FET 完全關閉之前開啟時的情況。在低壓側柵極驅動中有一個明顯的更大的Miller 區域，其低壓側 FET 和高壓側 FET 同時導通，從而在功率級中產生直通電流。當低壓側 FET 最終關閉時，在開關節點處存在額外的電壓過衝。在圖 1B 中，在低壓側 FET 關閉且主體二極體中形成電流以後，高壓側 FET 才開啟。當高壓側 FET 開啟時，其恢復該主體二極體，並且會有一個電流峰值讓開關節點電壓出現振鈴。但是，由於所用MOSFET體二極體的反向恢復時間(12 nS)極短，因此這種現象並不明顯。主體二極體速度越慢，振鈴越明顯。圖 1C 擁有最高的電源效率。在高壓側開關開啟以前，低壓側柵極電壓降至接地電壓附近。高壓側在更低的主體二極體導電以前開啟，開關節點振鈴最小化。

圖 1A 先進的高壓側時序產生直通電流

圖 1B 高壓側驅動延遲時主體二極體導電

圖 1C 最佳時序帶來更高的效率和更低的應力

圖 2 顯示了不同柵極驅動時序情況下 12 伏到 1 伏/15 安培、300 kHz 功率級的效率曲線。刻度左側代表高壓側開關提前開啟，如圖 1A 所示。右側代表一個經過延遲的高壓側柵極驅動(圖 1B)。在左邊，效率急劇下降，原因是功率級的直通電流損耗。在右邊，效率逐漸下降。

效率逐漸下降的原因有兩個：來自低壓側 FET 主體二極體的傳導損耗和反向恢復損耗。在主體二極體導電期間，主體二極體電壓下降約 0.7伏。方程式 1 表示了主體二極體導電期間的最大電源效率，其大致如下：

方程式 1

如果主體二極體在 3us 時間中有 50ns 時間導電，則可對總效率產生約 1.2% 的影響。就該功率級而言，反向恢復損耗微不足道，原因是使用了 12 nS 短反向恢復時間的 MOSFET。

圖 2 驅動器時序可極大影響效率

總之，同步降壓穩壓器中正確的柵極驅動信號時序，對於最大化效率至關重要。這種時序可最小化低壓側 FET 主體二極體導電時間。高壓側 FET 開啟是最為關鍵的過渡階段，同時應避免在低壓側完全關閉以前開啟高壓側 FET。這樣做可以最小化開關損耗，並減少過渡期間的電壓振鈴。