1.前言

世界是一個嘈雜的地方——電源也不例外。為了追求更高的效率，電源轉(zhuǎn)換器以越來越快的速度切換會產(chǎn)生意想不到的問題，包括增加系統(tǒng)對瞬變和噪聲的敏感性。在選擇如何設(shè)計電源以及使用哪些組件進行設(shè)計時，考慮這種敏感性非常重要。

2.噪音從何而來？

瞬變和噪聲來自哪里？除了在許多電氣系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的一般噪聲外，高頻電源本身通常最終會產(chǎn)生它們?？纯磮D 1，它顯示了一個控制器和一個驅(qū)動金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的柵極驅(qū)動器。

圖 1：瞬態(tài)電流 (di/dt) 對電源轉(zhuǎn)換器中柵極驅(qū)動器輸入的影響

當(dāng)柵極驅(qū)動器打開和關(guān)閉 FET 時，可能會發(fā)生瞬態(tài)和噪聲。寄生走線電感和 MOSFET 的源極電感與當(dāng)今電源的快速開關(guān)相結(jié)合，可能會導(dǎo)致柵極驅(qū)動器集成電路 (IC) 出現(xiàn)接地反彈的情況。接地反彈是指系統(tǒng)的寄生電感導(dǎo)致 IC 的接地遠離系統(tǒng)接地。IC 會將 0-V 信號注冊為負電壓，這可能會導(dǎo)致?lián)p壞或錯誤的邏輯輸出。

接地反彈不僅是輸入的一個可能問題，而且許多現(xiàn)代電源的高開關(guān)速度也會引入負電壓瞬變。再看圖 1，開關(guān)期間與寄生電感 (L SS )成正比的大 di/dt 會產(chǎn)生負電壓尖峰 (V n )。這些負瞬態(tài)與寄生電感和頻率成正比，因此隨著開關(guān)頻率的增加，它們變得更加麻煩。

驅(qū)動器輸出端的電壓瞬變也會引起問題。電源輸出負載變化是電壓瞬變的最常見原因。如果這些瞬變超過柵極驅(qū)動器的最大電壓，它們最終可能會損壞設(shè)備。瞬態(tài)產(chǎn)生的噪聲甚至可能導(dǎo)致輸出錯誤，導(dǎo)致驅(qū)動器改變其輸出而不管控制信號如何，如圖 2 所示。

圖 2：驅(qū)動器對輸出噪聲的響應(yīng)

3.現(xiàn)有的解決方案

我們可以做些什么來解決這些瞬變以及其他噪聲問題？首先，花時間確保正確的電路板布局很重要。將驅(qū)動器放置在盡可能靠近開關(guān)的位置將有助于減少寄生電感。但是，這樣做不會使問題消失。它只會使它更易于管理。過去，對于可能對驅(qū)動器輸入或輸出造成損壞的瞬變，一種常見的解決方案是添加鉗位二極管以將電壓保持在特定水平之上或之下。圖 3 顯示了如何放置這些二極管的示例。

圖 3：柵極驅(qū)動器輸入和輸出上的鉗位二極管

輸入端的二極管將輸入信號保持在接地之上，而輸出端的二極管則保持低于電源電壓 (V DD ) 的電壓。雖然有效，但這是一種成本高昂的解決方案，會為電源添加多達六個額外組件。這些二極管不僅增加了系統(tǒng)的整體價格，而且占據(jù)了電路板上的寶貴空間。

4.在電源設(shè)計中使用 30V 柵極驅(qū)動器

TI 的 UCC27614 和 UCC27624 等較新的柵極驅(qū)動器可以處理當(dāng)今高頻電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲和瞬態(tài)。這些驅(qū)動器提供 –10V 負電壓處理能力，這意味著它們可以承受地彈引起的負電壓偏移或輸入瞬變引起的負電壓尖峰，而無需外部組件。這些驅(qū)動器不僅能夠處理比許多低側(cè)驅(qū)動器更低的電壓，而且它們還具有 30V 的最大 V DD。這是一個重要的規(guī)范，因為如果柵極驅(qū)動器有足夠的裕量，它可以處理其輸出上的噪聲和瞬變，而無需鉗位二極管將輸出電壓保持在 V DD以下。

圖 4 顯示了 30V UCC27624 和 20V DD柵極驅(qū)動器對輸出高頻噪聲的反應(yīng)差異。

圖 4：驅(qū)動器對輸出噪聲的響應(yīng)

在這種情況下，20-VV DD驅(qū)動器會因噪聲而出現(xiàn)邏輯錯誤，而UCC27624的較高 V DD無需添加外部組件即可消除錯誤。

5.結(jié)論

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電源將不斷向越來越高的頻率移動以尋求更高的效率，并且瞬變將繼續(xù)隨著頻率的增加而增長。在設(shè)計電源時，請記住，與其向系統(tǒng)添加額外的組件來進行補償，不如從具有電壓范圍、負電壓處理能力和反向電流能力的驅(qū)動器開始，以解決系統(tǒng)中的瞬變問題。