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这种尖峰会对L-MOS造成威胁,根据电源组同事的观察,有些板子的L-MOS经常烧坏或寿命大幅缩短,就是PHASE点电压尖峰造成的。
实际测量没有SNUBBER的PHASE点波形如图所示(上图红圈内的波形放大)。
造成电压尖峰及其危害的原因是什么呢?
为了更严谨更准确说明电路的工作情况设想模型如下。
上图分别是电路中寄生电感和MOS管极间等效电容的示意图。
简化之后如下图。
上图虚线框内的是PHASE后的线路,由于有储能大电感的存在,瞬时变化的电流I不能通过进入虚线框内。
所以对瞬时(高频)电压电流而言,其路径只能是通过L-MOS。
为了验证这种设想的真实性,本文建立仿真模型进行验证。
电压源是一个上升沿模仿H-MOS导通的动作。
电容模仿L-MOS的等效电容大概有500pF。
电感模仿电路上的寄生电感。
电阻模仿线路上的等效电阻。
仿真波形如下。
红色为PHASE点电压,黄色为PHASE点电流,绿色为输入电压。
和实际没有snubber电路的PHASE点波形比较。
可以发现两者在波形特征是很相似的。
所以可以基本认为,设想的模型是能说明问题的。
分析产生电压尖峰的原因。
将上图放大。
得下图。
时间段1(30ns~A):
H-MOS管导通,5V电压输入。
寄生电感中的电流以正弦波的形式增大。
同时这个增大的电流给L-MOS的等效电容充电,使得PHASE点的电压上升。
时间段2(A~B):
当PHASE点电压达到5V时,则寄生电感两端的电压开始反向。
但寄生电感中的电流不能瞬变,而是以正弦波的形式减小。
这时这个减小的电流也在给L-MOS的等效电容充电,使得PHASE点的电压继续上升。
时间段3(B~C):
当寄生电感中的电流减小到0时,L-MOS的等效电容刚好充电到最多的电荷形成PHASE点的电压极大值。
此时PHASE点的电压大于输入电压,则电容开始放电PHASE点电压开始减小,电感的电流反向开始增大。
时间段4(C~D):
当PHASE点电压减小到5V时,电感两端的电压有反向了,电流(标量)开始减小,电容中的点放完,但由于电感中的电流还存在,电容被反向充电。
PHASE点电压继续下降。
综上所述,电压尖峰是由于寄生电感不能瞬变的电流给L-MOS等效电容充电造成的。
而振荡是由于电感和电容的谐振造成的。
实际电路中多余的能量大部分是由L-MOS的内阻消耗的。
这部分多余的能量等于PHASE点电压为5V时,电流在电感中对应的电磁能。
由于等效电容很小,所以多余能量(电荷)能够在电容两端造成较大的电压。
所以减小电压尖峰的方法是减小流入等效电容的电荷数量。
对于振荡则可以选择阻尼电阻一方面减少振荡次数,一方面减小L-MOS的消耗能量。
因此设计出了snubber电路。
如图所示。
RC-snubber电路从两个方面去解决电压尖峰的问题。
1、对PHASE点电压等于输入电压时的电感电流分流,这样使得流入L-MOS等效电容的电流大大减小。
而snubber电容的容值选取较大,吸收了多余的能量后产生的电压不会太大。
这样使得PHASE点的电压尖峰减小。
2、RC中的电阻起到阻尼作用,将谐振能量以热能消耗掉。
仿真结果如下
天蓝色为snubber分流的电流。
所以RC-snubber电路的好处有:
1、增强phase点的信号完整性。
2、保护L-MOS提高系统可靠性。
3、改善EMI。
坏处:
1、PHASE点电压等于输入电压时需要更多的能量,所以在每次开关时都要消耗更多的能量,降低了电源转换效率。
2、RC选取不好就会起反作用。
Snubber电路的位置选择。
大家都知道snubber电路的摆放应该靠近PHASE点。
但是有一个细节很有意思。
看下图。
图中的寄生电感共4个,给L-MOS造成影响的是上面3个,snubber电路接在PHASE点上。
现在有两个问题1、H-MOS管的等效电容也应该有相似的电压尖峰效应怎么办?
2、snubber电路无法保护第三个寄生电感的造成的过压,可是为什么实际上的吸收效果却很好?
解释上面的问题,可以看一下这里用的MOS管封装便可知道。
在电容总结里讲过,寄生电感主要分布在引脚和走线上。
在电源线路的PCB走线是又宽又短的,所以这里的寄生电感主要来源于引脚封装。
MOS管的漏极宽大的设计就是为了能够减小寄生电感(当然也可以利于散热),而源极寄生电感在正向导通时不会对MOS管的等效电容造成威胁。
Snubber器件的选取。
首先是电容,snubber电容的作用是为L-MOS等效电容分流而不产生大的过压,所以选取的容值要大于等效电容。
但是它使得PHASE点电压等于输入电压时需要更多的能量,所以太大会降低电源的转换效率。
这里需要折中考虑。
下面是EC4-1811上1.8V的BUCK电路snubber电路的实验。
上图的snubber电路PHASE点波形(黄色)容值1000pF,电阻2.2欧姆。
和没有snubber电路的PHASE点波形(白色)的比较。
显然振荡减小了,可是电压尖峰去除的效果不好。
所以我们将电容增大。
上图PHASE点波形(黄色)容值2000pF,电阻2.2欧姆。
和上图比较电压尖峰去除的效果好了一些。
再增大电容。
上图PHASE点波形(黄色)容值3000pF,电阻2.2欧姆。
和上图比较电压尖峰去除的效果又好了一些。
上图PHASE点波形(黄色)容值4000pF,电阻2.2欧姆。
和所以上图比较电压尖峰去除的效果最好。
波形较理想。
电阻的选取。
Snubber电阻的作用是阻尼作用。
选小了,则PHASE点振荡会不容易消除。
选大了,则会阻碍snubber电路吸收电流的能力,使得等效电容承受的电流增加,增大PHASE点的电压尖峰。
下面是具体实验。
电容都是4000pF,电阻分别是0;
2.2;
5;
10。
上图是2.2欧姆的PHASE点波形。
上图是5欧姆的PHASE点波形。
上图是10欧姆的PHASE点波形。
从实验可以很清楚的看出snubber电阻取得大了会使snubber电路的功能丧失。
其次,关于L-MOS内肖特基二极管的问题。
如下图。
在H-MOS关断到L-MOS打开的死区内。
续流是通过L-MOS旁并联的肖特基二极管实现的。
负压尖峰是由于瞬时电流对L-MOS反向充电造成的。
大概持续了25ns的-0.7V是因为肖特基二极管没有导通,电流从L-MOS的体内二极管通过的管压降。
之后的-0.3V左右的负压是因为肖特基二极管导通的管压降造成的。
之后L-MOS导通,管压降几乎为0。
回顾之前的MOS总结,L-MOS往往两个并联的目的除了减小导通电阻外,还有减小电压尖峰(正;
负)对L-MOS管的损伤,同时还起到备用的作用。
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