發布日期：2022-04-20 點擊率：24
1.前言
如果實習醫生看到他從未在醫學手冊中讀過的癥狀，他會診斷什么？集成電路 (IC) 驗證工程師在其職業生涯的早期可以提出類似的問題。事實上，就像醫生一樣，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”，這有時需要結合實際經驗對設備“解剖結構”有深入的了解。
醫生可以通過監測患者的心跳開始檢查。開關模式 DC/DC 轉換器的驗證工程師還監控心跳：開關節點。但是如果開關波形看起來不像大多數教科書顯示的那樣怎么辦？這是否表明某種設備“疾病”，或者工程師可以將狀態解釋為正常嗎？
在這篇文章中我將討論“兔耳朵”——一種“癥狀”，在開關節點切換期間出現小顛簸。
考慮在連續導通模式下運行的同步降壓轉換器（圖 1）。在 t1（圖 2），低側開關關閉，高側開關打開。從 t1 到 t2，高側開關導通，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，高邊開關關閉，低邊開關打開，電感電流開始流過它。從 t2 到 t3，低側開關導通，V sw等于 GND（忽略 R DS(on)損耗）。在此期間，電感電流減小。在t3，循環再次開始。
我們可以在大多數文獻中找到圖 2 中所示的開關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行測量，我們會發現示波器圖片（圖 3）可能看起來有些不同——它可以在切換時刻在切換節點上顯示“兔耳朵”。這是什么原因造成的？
圖 1：同步降壓轉換器的簡化圖
圖 2：在連續導通模式下工作的降壓轉換器的電感電流 (I L ) 和開關節點 (V sw ) 的波形圖
圖 3：電感電流和開關節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。實際上，開關階段之間的轉換不是瞬時的。打開和關閉輸出級的晶體管需要幾納秒的時間。為了避免開關之間的交叉導通，一個開關應該在另一個開始閉合之前斷開。兩個晶體管都關閉（開路）的時間稱為“死區時間”。
當兩個開關都關閉時，電流流向哪里？事實上，金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 在漏極和源極之間有一個寄生體二極管（圖 4），因此在死區時間內，電感電流流過其中一個開關的體二極管。在這段時間內，開關節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節點波形中顯示為兔耳。
圖 4：同步降壓轉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時刻電感電流的方向。在大多數應用中，降壓轉換器提供電流。但在某些應用中，降壓轉換器也應該能夠吸收電流。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 降壓轉換器，可以吸收和提供電流。
表1總結了同步降壓轉換器兔耳不同位置的五種情況。
表 1：同步降壓轉換器兔耳的不同位置取決于電感電流方向
圖 5：高側體二極管的傳導 (a)；低側體二極管的導通 (b)
如果切換節點是心跳，而驗證工程師是醫生，他們會像正常情況一樣診斷兔耳的存在。兔耳確實會導致效率略有下降，因為在體二極管傳導過程中會損失一些能量。那么挑戰就變成了如何優化開關模式 DC/DC 轉換器的開關時間。
DC/DC就是利用開關動作將直流電轉變為一定頻率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲能元件的特性，將電能按照預定的要求釋放出來。開關頻率之于開關電源的質量，就像心臟的脈搏之于我們的健康一樣，我們需要既規律又能自我調節的開關頻率。所以我們說：開關頻率是開關電源的重要指標之一。
開關的規律性動作，是開關電源工作的根本機制，頻率特性在電路各個環節的計算中，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?？梢钥吹筋l率fs與紋波幅值成近似反比關系，頻率越高，紋波值越小。選擇合適開關頻率非常重要。
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