採用額外的肖特基二極體減少干擾

ADI歐洲分公司電源管理技術專家Frederik Dostal


在負載點(POL)降壓轉換器領域,同步變化的高側和低側主動開關已被廣泛使用。圖1顯示了具有理想切換開關的此類電路。與使用被動肖特基二極體作為低側開關的架構相比,此類切換開關穩壓器具有多項優勢。主要優勢是電壓轉換效率更高,因為相較於採用被動二極體的情況,低側開關承載電流時的壓降更低。

圖1.用於降壓轉換、採用理想開關的同步開關穩壓器。

但是,與非同步開關穩壓器相比,同步降壓轉換器會產生更大的干擾。如果圖1中的兩個理想開關同時導通,即使時間很短,也會發生從輸入電壓對地的短路。這會損壞切換開關,因此,必須確保兩個開關永遠不會同時導通。因此,出於安全考慮,需要在一定時間內保持兩個開關都斷開。這個時間稱為開關穩壓器的死區時間。但是,從開關節點到輸出電壓連接了一個載流電感(L1)。通過電感的電流永遠不會發生瞬間變化。電流會連續增加和減少,但它永遠不會跳變。因此,在死區時間內會產生問題。所有電流路徑在開關節點側中斷。採用圖1所示的理想開關,在死區時間內會在開關節點處產生負無窮大的電壓。在實際開關中,電壓負值將變得越來越大,直到兩個開關中的一個被擊穿並允許電流通過。

大多數切換開關穩壓器使用N通道MOSFET作為主動開關。這些開關針對上述情況具有非常有優勢的特性。除了具有本身的開關功能外,MOSFET還具有所謂的體二極體。半導體的源極和漏極之間存在一個P-N結。在圖2中,插入了具有相應P-N結的MOSFET。由此,即使在死區時間內,開關節點的電壓也不會下降到負無窮大,而是通過低側MOSFET中的P-N結(如紅色所示)承載電流,直到死區時間結束並且低側MOSFET導通為止。

圖2.用於降壓轉換的同步開關穩壓器,採用 N通道 MOSFET和額外的肖特基二極體,可最大限度地減少干擾。

相應MOSFET中的體二極體有一個主要缺點。由於反向恢復現象,其開關速度非常低。在反向恢復時間內,電感(L1)導致開關節點處的電壓下降到比地電壓低幾伏。開關節點處這些陡峭的負電壓峰值會導致干擾,此干擾會被容性耦合到其他電路段。透過插入額外的肖特基二極體可以最大限度地減少這種干擾,如圖2所示。與低側MOSFET中的體二極體不同,它不會產生反向恢復時間,並且在死區時間開始時能非常快速地吸收電流。這可減緩開關節點處的電壓陡降。可減少由於耦合效應而產生並分佈到電路上的干擾。

肖特基二極體可以設計得非常精小,因為它僅在死區時間內短時間承載電流。因此,其溫升不會過高,可以放置在小尺寸、低成本的產品外殼中

Author

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal studied microelectronics at the University of Erlangen in Germany. Starting work in the power management business in 2001, he has been active in various applications positions including four years in Phoenix, Arizona, working on switch mode power supplies. He joined Analog Devices in 2009 and works as a Field Application Engineer for Power Management at Analog Devices in München.