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如何有效地减慢开关转换?

时间:2019-09-14 作者:Frederik Dostal,ADI公司营销工程师 阅读:
开关调节器中的快速开关瞬变是有利的,因为这显著降低了开关模式电源中的开关损耗。尤其是在高开关频率时,可以大幅提高开关调节器的效率。但是,快速开关转换也会带来一些负面影响。开关转换频率在20 MHz和200 MHz之间时,干扰会急剧增加。这就使得开关电源开发人员必须在高频率范围内,在高效率和低干扰之间找到良好的折衷方案。
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开关调节器中的快速开关瞬变是有利的,因为这显著降低了开关模式电源中的开关损耗。尤其是在高开关频率时,可以大幅提高开关调节器的效率。但是,快速开关转换也会带来一些负面影响。开关转换频率在20 MHz和200 MHz之间时,干扰会急剧增加。这就使得开关电源开发人员必须在高频率范围内,在高效率和低干扰之间找到良好的折衷方案。因此,ADI公司提出了创新的Silent Switcher技术,即使是极快的开关边沿,也可能产生最小的电磁辐射。dspEETC-电子工程专辑

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图1.对开关电源进行开关转换,在开关节点处施加输入电压。dspEETC-电子工程专辑

图1显示了快速和慢速开关转换。快速开关转换会使邻近电路段产生更强的干扰耦合。存在电压突变的PCB走线可与具有高阻抗的邻近走线产生容性耦合。存在电流突变的PCB走线可与邻近走线产生电感耦合。通过减慢开关转换,可将这些影响降至最低。图2显示了一种经验证适用于异步开关调节器的技术。此处,两个开关中的一个使用了肖特基二极管。将电阻与自举电容 CBOOT(提供高侧n沟道MOSFET的栅极电压)串联,可减慢开关的开关转换。当无法直接调整功率MOSFET的栅极信号线时,此技巧可用于集成开关调节器。如果将开关控制器与外部MOSFET配合使用,也可将电阻插入栅极驱动走线中。电阻值通常小于100 Ω。dspEETC-电子工程专辑
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图2.使用自举电阻减慢异步降压转换器中的开关转换。dspEETC-电子工程专辑

但是,大多数现代开关调节器都是具有高边和低边有源开关的同步开关调节器。此处,在 CBOOT路径中使用电阻无法明显减慢开关转换。如果此处还是使用与 CBOOT并串联的电阻(如图3所示),则也将减慢高边开关的开关转换。但是,这可能导致低边开关没有完全关闭。因此,高边开关和低边开关可能同时瞬间打开。这将导致输入电压到接地之间出现破坏性短路。这一点尤为关键,因为开关转换速度也受到工作温度等参数和半导体制造中的可变性因素的影响。因此,即使是在实验室测试,也无法保证安全操作。要减慢具有集成开关的同步开关调节器的开关转换,应使用同步开关调节器,它可通过内部电路直接设置开关转换速度。例如ADI公司的ADP5014。在这些集成电路中,可在内部确保:在减慢开关转换时,两个开关不同时导通,因此也不会发生短路,并且在CBOOT路径中都没有电阻。dspEETC-电子工程专辑
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图3.由于高边开关转换减慢而可能短路的同步降压转换器。dspEETC-电子工程专辑

关于快速开关转换,近年来有一个非常重要的创新不容忽视。ADI公司的Silent Switcher技术使快速开关边沿的电磁辐射大幅降低,高达40 dB(10,000倍)。因此,可开发出具有超快边沿且仅有最小EMC问题的开关电源。在大多数情况下,Silent Switcher器件无需为了减少EMI而降低开关转换速度。通过Silent Switcher技术,在很大程度上消除了在最大转换效率和最小电磁干扰之间进行权衡的难题。dspEETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊dspEETC-电子工程专辑

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