1.前言

如果實習(xí)醫(yī)生看到他從未在醫(yī)學(xué)手冊中讀過的癥狀，他會診斷什么？集成電路 (IC) 驗證工程師在其職業(yè)生涯的早期可以提出類似的問題。事實上，就像醫(yī)生一樣，一名驗證工程師被指派評估 IC 的“健康狀況”并做出正確的“診斷”，這有時需要結(jié)合實際經(jīng)驗對設(shè)備“解剖結(jié)構(gòu)”有深入的了解。

醫(yī)生可以通過監(jiān)測患者的心跳開始檢查。開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的驗證工程師還監(jiān)控心跳：開關(guān)節(jié)點。但是如果開關(guān)波形看起來不像大多數(shù)教科書顯示的那樣怎么辦？這是否表明某種設(shè)備“疾病”，或者工程師可以將狀態(tài)解釋為正常嗎？

在這篇文章中我將討論“兔耳朵”——一種“癥狀”，在開關(guān)節(jié)點切換期間出現(xiàn)小顛簸。

考慮在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行的同步降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1）。在 t1（圖 2），低側(cè)開關(guān)關(guān)閉，高側(cè)開關(guān)打開。從 t1 到 t2，高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，V sw等于 V IN（忽略 R DS(on)損耗）。在此期間，電感電流增加。在 t2 時刻，高邊開關(guān)關(guān)閉，低邊開關(guān)打開，電感電流開始流過它。從 t2 到 t3，低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，V sw等于 GND（忽略 R DS(on)損耗）。在此期間，電感電流減小。在t3，循環(huán)再次開始。

我們可以在大多數(shù)文獻(xiàn)中找到圖 2 中所示的開關(guān)引腳和電感器電流的典型波形圖。但是，如果我們去實驗室進(jìn)行測量，我們會發(fā)現(xiàn)示波器圖片（圖 3）可能看起來有些不同——它可以在切換時刻在切換節(jié)點上顯示“兔耳朵”。這是什么原因造成的？

圖 1：同步降壓轉(zhuǎn)換器的簡化圖

圖 2：在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的電感電流 (I L ) 和開關(guān)節(jié)點 (V sw ) 的波形圖

圖 3：電感電流和開關(guān)節(jié)點的示波器圖片與兔耳

秘訣在于圖 2 所示的簡單模型沒有考慮切換動態(tài)。實際上，開關(guān)階段之間的轉(zhuǎn)換不是瞬時的。打開和關(guān)閉輸出級的晶體管需要幾納秒的時間。為了避免開關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，一個開關(guān)應(yīng)該在另一個開始閉合之前斷開。兩個晶體管都關(guān)閉（開路）的時間稱為“死區(qū)時間”。

當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)閉時，電流流向哪里？事實上，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 在漏極和源極之間有一個寄生體二極管（圖 4），因此在死區(qū)時間內(nèi)，電感電流流過其中一個開關(guān)的體二極管。在這段時間內(nèi)，開關(guān)節(jié)點的幅度增加了大約等于二極管正向壓降的值。這種幅度增加在開關(guān)節(jié)點波形中顯示為兔耳。

圖 4：同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出級和輸出濾波器的簡化圖

兔耳的位置取決于開關(guān)時刻電感電流的方向。在大多數(shù)應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器提供電流。但在某些應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器也應(yīng)該能夠吸收電流。例如，TPS65175 是一款完全可編程的液晶顯示器 (LCD) 偏置 IC，它集成了一個 HVDD 降壓轉(zhuǎn)換器，可以吸收和提供電流。

表1總結(jié)了同步降壓轉(zhuǎn)換器兔耳不同位置的五種情況。

表 1：同步降壓轉(zhuǎn)換器兔耳的不同位置取決于電感電流方向  

圖 5：高側(cè)體二極管的傳導(dǎo) (a)；低側(cè)體二極管的導(dǎo)通 (b)

如果切換節(jié)點是心跳，而驗證工程師是醫(yī)生，他們會像正常情況一樣診斷兔耳的存在。兔耳確實會導(dǎo)致效率略有下降，因為在體二極管傳導(dǎo)過程中會損失一些能量。那么挑戰(zhàn)就變成了如何優(yōu)化開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時間。

DC/DC就是利用開關(guān)動作將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲能元件的特性，將電能按照預(yù)定的要求釋放出來。開關(guān)頻率之于開關(guān)電源的質(zhì)量，就像心臟的脈搏之于我們的健康一樣，我們需要既規(guī)律又能自我調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率。所以我們說：開關(guān)頻率是開關(guān)電源的重要指標(biāo)之一。

開關(guān)的規(guī)律性動作，是開關(guān)電源工作的根本機制，頻率特性在電路各個環(huán)節(jié)的計算中，都起到了決定作用。例如Buck電路公式中，頻率fs決定了電感電流紋波和輸出電壓紋波兩個核心指標(biāo)?？梢钥吹筋l率fs與紋波幅值成近似反比關(guān)系，頻率越高，紋波值越小。選擇合適開關(guān)頻率非常重要。