減慢開關轉換時要謹慎
減慢開關轉換時要謹慎2019-10-12Frederik Dostal，ADI公司營銷工程師
開關調節器中的快速開關瞬變是有利的，因爲這顯著降低了開關模式電源中的開關損耗。尤其是在高開關頻率時，可以大幅提高開關調節器的效率。但是，快速開關轉換也會帶來一些負面影響。開關轉換頻率在20 MHz和200 MHz之間時，干擾會急劇增加。這就使得開關模式電源開發人員必須在高頻率範圍內，在高效率和低干擾之間找到良好的折衷方案。此外，ADI公司提出了創新的Silent Switcher®技術，即使是極快的開關邊沿，也可能產生最小電磁輻射。
圖1.對開關模式電源進行開關轉換，在開關節點處施加輸入電壓。
圖1顯示了快速和慢速開關轉換。快速開關轉換會給鄰近電路段產生更強的干擾耦合。存在電壓突變的PCB走線可與具有高阻抗的鄰近走線產生容性耦合。存在電流突變的PCB走線可與鄰近走線產生電感耦合。通過減慢開關轉換，可將這些影響降至最低。圖2顯示了一種經驗證適用於異步開關調節器的技術。此處，兩個開關中的一個使用了肖特基二極管。將電阻與自舉電容CBOOT（提供高端邊n溝道MOSFET的柵極電壓）串聯，可減慢開關的開關轉換。當無法直接調整功率MOSFET的柵極信號線時，此技巧可用於集成開關調節器。如果將開關控制器與外部MOSFET配合使用，也可將電阻插入柵極驅動走線中。電阻值通常小於100 Ω。
圖2.使用自舉電阻減慢異步降壓轉換器中的開關轉換。
但是，大多數現代開關調節器都是具有高邊和低邊有源開關的同步開關調節器。此處，在CBOOT路徑中使用電阻無法明顯減慢開關轉換。如果此處還是使用與CBOOT並串聯的電阻（如圖3所示），則也將減慢高邊開關的開關轉換。但是，這可能導致低邊開關沒有完全關閉。因此，高端邊開關和低邊開關可能同時瞬間打開。這將導致輸入電壓到接地之間出現破壞性短路。這一點尤爲關鍵，因爲開關轉換速度也受到工作溫度等參數和半導體制造中的可變性的影響。因此，即使是在實驗室測試，也無法保證安全操作。要減慢具有集成開關的同步開關調節器的開關轉換，應使用可通過內部電路直接設置開關轉換速度的同步開關調節器。例如ADI公司的ADP5014。在這些集成電路中，可在內部確保：在減慢開關轉換時，兩個開關不同時導通，因此也不會發生短路，並且在CBOOT路徑中都沒有電阻。
圖3.由於高端開關轉換減慢而可能短路的同步降壓轉換器。
關於快速開關轉換，近年來有一個非常重要的創新不容忽視。ADI公司的Silent Switcher技術使快速開關邊沿的電磁輻射大幅降低，高達40 dB（10,000倍）。因此，可開發出具有超快邊沿且僅有最小EMC問題的開關模式電源。在大多數情況下，Silent Switcher器件無需爲了減少EMI而降低開關轉換速度。通過Silent Switcher技術，在很大程度上消除了在最大轉換效率和最小電磁干擾之間進行權衡的難題。
作者簡介
Frederik Dostal曾就讀於德國埃爾蘭根-紐倫堡大學微電子學專業。他於2001年開始工作，涉足電源管理業務，曾擔任各種應用工程師職位，並在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開關模式電源。他於2009年加入ADI公司，並在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現場應用工程師。
