1.前言

世界是一個(gè)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(lái)越快的速度切換會(huì)產(chǎn)生意想不到的問(wèn)題，包括增加系統(tǒng)對(duì)瞬變和噪聲的敏感性。在選擇如何設(shè)計(jì)電源以及使用哪些組件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮這種敏感性非常重要。

2.噪音從何而來(lái)？

瞬變和噪聲來(lái)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(huì)產(chǎn)生它們。看看圖 1，它顯示了一個(gè)控制器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的柵極驅(qū)動(dòng)器。

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

當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)和關(guān)閉 FET 時(shí)，可能會(huì)發(fā)生瞬態(tài)和噪聲。寄生走線(xiàn)電感和 MOSFET 的源極電感與當(dāng)今電源的快速開(kāi)關(guān)相結(jié)合，可能會(huì)導(dǎo)致柵極驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)離系統(tǒng)接地。IC 會(huì)將 0-V 信號(hào)注冊(cè)為負(fù)電壓，這可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞或錯(cuò)誤的邏輯輸出。

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

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

圖 2：驅(qū)動(dòng)器對(duì)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(lái)解決這些瞬變以及其他噪聲問(wèn)題？首先，花時(shí)間確保正確的電路板布局很重要。將驅(qū)動(dòng)器放置在盡可能靠近開(kāi)關(guān)的位置將有助于減少寄生電感。但是，這樣做不會(huì)使問(wèn)題消失。它只會(huì)使它更易于管理。過(guò)去，對(duì)于可能對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸入或輸出造成損壞的瞬變，一種常見(jiàn)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(dòng)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(hào)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(huì)為電源添加多達(dá)六個(gè)額外組件。這些二極管不僅增加了系統(tǒng)的整體價(jià)格，而且占據(jù)了電路板上的寶貴空間。

4.在電源設(shè)計(jì)中使用 30V 柵極驅(qū)動(dòng)器

TI 的 UCC27614 和 UCC27624 等較新的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器提供 –10V 負(fù)電壓處理能力，這意味著它們可以承受地彈引起的負(fù)電壓偏移或輸入瞬變引起的負(fù)電壓尖峰，而無(wú)需外部組件。這些驅(qū)動(dòng)器不僅能夠處理比許多低側(cè)驅(qū)動(dòng)器更低的電壓，而且它們還具有 30V 的最大 V DD。這是一個(gè)重要的規(guī)范，因?yàn)槿绻麞艠O驅(qū)動(dòng)器有足夠的裕量，它可以處理其輸出上的噪聲和瞬變，而無(wú)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(dòng)器對(duì)輸出高頻噪聲的反應(yīng)差異。

圖 4：驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出噪聲的響應(yīng)

在這種情況下，20-VV DD驅(qū)動(dòng)器會(huì)因噪聲而出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，而UCC27624的較高 V DD無(wú)需添加外部組件即可消除錯(cuò)誤。

5.結(jié)論

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電源將不斷向越來(lái)越高的頻率移動(dòng)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(zhǎng)。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，請(qǐng)記住，與其向系統(tǒng)添加額外的組件來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，不如從具有電壓范圍、負(fù)電壓處理能力和反向電流能力的驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始，以解決系統(tǒng)中的瞬變問(wèn)題。