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反激變換器的驅動緩沖設計

簡單回顧一下反激變換的基本原理,F(xiàn)lyback拓撲源于六種基本DC-DC電路之一的Buck-Boost,如下圖所示,Buck-boost電路在連續(xù)模式(CCM)下的直流增益是-D/(1-D),輸出電壓極性相反,如果對Buck-Boost進行隔離化,同時使變壓器的線圈匝數(shù)可變并變換輸出極性,就得到了一個Flyback電路。

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Flyback的工作模式也和大多數(shù)開關電源一樣,可以工作在連續(xù)模式(CCM)、斷續(xù)模式(DCM)和臨界導通模式(BCM)。如下圖所示,以工作在連續(xù)模式(CCM)的反激為例,可以看到理想的變壓器模型中還會存在漏感,實際等效電路中還包括了RCD snubber吸收(增加阻尼,降低Q值),次邊的寄生電感Ls與續(xù)流二極管串聯(lián)(包含了雜散電感、副邊漏感),以及圖中未表示完全的各種寄生的感抗與容抗分布參數(shù)。下圖給出了驅動信號DRV、原邊電流Ip、次邊電流Is、原邊功率極的漏端電壓Vds_P和次邊同步整流管的Vds_S(或續(xù)流二極管的反向壓差)。簡單來說,從t0~t2階段,勵磁電感Lm儲能;t2~t4階段,勵磁電感儲存的能量通過變壓器傳遞到副邊給輸出電容充電。圖中的t2~t3示意性給出了實際工作中存在的換流過程。

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為什么要加柵極的驅動緩沖

幾乎在所有的推薦的可靠性設計中,圖2中的功率極Q1的驅動都會增加一個驅動電阻和反偏的二極管構成的驅動緩沖,二極管看起來是必要的,這是為了加速關斷,因為當功率管關斷后,Q1的漏極電壓會迅速上升,即Vds_P,Cgd中存儲的電荷會通過二極管迅速泄放而不必通過驅動電阻Rg。電阻Rg主要是為了調節(jié)驅動速度,阻抗必須提供足夠的阻尼,來降低驅動環(huán)路中因寄生電感存在的電壓或電流振蕩,降低回路Q值;同時又不能太大,以免mos關斷后產(chǎn)生很大的dv/dt使得MOS誤開通,而且太大的電阻增加系統(tǒng)在較高頻率時的開關損耗。除此之外,驅動緩沖還涉及以下方面的考慮:

01

優(yōu)化EMI性能

EMI包括傳導和輻射,前者通過寄生阻抗和其他連接以傳導方式耦合到原件,后者通過磁場能量以無線方式傳輸?shù)酱郎y器件。

回顧下麥克斯韋方程組中的法拉第電磁感應定律:穿過一個曲面的磁通的變化會在此曲面的任意邊界路徑上產(chǎn)生感應電動勢,變化的磁場產(chǎn)生環(huán)繞的電場。對于輻射而言,每個環(huán)路都是一個小的天線,環(huán)路面積的大小、負載電流的大小、測試距離的遠近、工作頻率的高低、測試方向夾角的差異,都會對輻射產(chǎn)生影響。通過布局的優(yōu)化、降低di/dt和dv/dt噪聲、增加EMI濾波等都可以優(yōu)化EMI。

02

降低次邊續(xù)流功率二極管的電壓應力

如果反激工作在深度的CCM連續(xù)模式(啟動、短路輸出、低壓滿載),在次邊二極管續(xù)流結束后原邊開啟之間的換流階段,次邊功率二極管的反向恢復電流會達到一個峰值Irr然后恢復到0,而二極管正向電流下降的速率會影響反向恢復時電流下降的速率,該di/dt會在與次邊二極管串聯(lián)的總電感上產(chǎn)生感應電動勢,產(chǎn)生電壓尖峰VRP。

3

高的電壓尖峰會對次邊二極管的應力提出挑戰(zhàn),如果單純?yōu)榱丝垢呒夥咫妷憾x擇反向耐壓更高的續(xù)流二極管或同步整流管,不僅會增加正向導通時的損耗,也會在不停的電流換向過程中產(chǎn)生損耗,還增加了成本。

03

從電路設計的角度出發(fā)可做哪些優(yōu)化?

通過上述分析可以知道,通過增加驅動緩沖,在驅動速度上做調整,以獲得EMI性能、次邊應力和整機效率的最佳折中點。
當一個系統(tǒng)外部所有的參數(shù)都優(yōu)化到最佳后,需要在電路設計層面盡可能為系統(tǒng)設計提供便利。EMI的改善可以通過頻譜的搬移來實現(xiàn),也就是常說的抖頻和抖峰值電流,但是柵極驅動電阻不僅會帶來一個元器件的增加,在不同功率的應用場合下,功率器件的Qg也會有差異,比如Qg為20nC和40nC的兩種MOS,同樣用1A的電流進行驅動,前者需要20ns而后者需要40ns,這帶來的di/dt和dv/dt顯然是不同的,因此,電路設計中的開關,要盡可能地“軟”,軟到某些應用場合下甚至可以省略驅動緩沖中的電阻Rg,最好的做法是能實現(xiàn)驅動不同MOS時速度的自動調整。

實現(xiàn)這種驅動速度調整的方法有很多,比如可以集成一個簡單的逐次逼近的SAR ADC,通過一個時鐘沿觸發(fā)異步時鐘,通過SAR邏輯的控制,對驅動MOS的柵極信號從0到Miller平臺到來之間的時間差進行量化,通過閉環(huán)與目標值進行比較進行調整,直到驅動速度穩(wěn)定;也可以直接對表征上升沿速度的脈沖信號進行低通濾波獲得表征占空比信息的電壓信號,對此電壓信號進行誤差調整。

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