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PI开关电源将MOS与控制芯片封装起来的好处

PI的诸多开关电源解决方案已经往集成化方向发展,尤其是将MOS开关器件融合到了控制IC中,确实带来了诸多优点,比如:节省PCB空间、提高电源效率、减少集成参数、省去驱动电路、增加电路稳定性和调试难度、降低PCB布板难度等等。

这里着重说下集成MOS到控制IC里能带来的降低传统布板时带来的寄生电感和寄生电容引起的驱动电压震荡。理想的控制IC/MCU发出的控制信号是一个理想的PWM波形,但是PWM控制信号经过驱动电路,再经过PCB走线连接到MOS管时,中间的走线会被动引入寄生电感和寄生电容参数,导致MOS的VGS电压波形出现不同程度的震荡,如下图的波形:

看下VGS发生震荡的原因,如下图,其中控制IC输出的PWM波形是正常的方波,经过驱动电路(图中未画出驱动电路,这里分析PWM震荡问题可暂时不考虑驱动电路的影响)到MOS的G与S之间的寄生电容C1两端的波形就发生振荡了,实际上这个振荡是由R1、L1和C1三个元器件的串联振荡引起的,R1是人为加的驱动电阻,L1是PCB上走线时被动引入的寄生电感,C1是MOS管G极和S极之间的寄生电容(不同封装、型号的MOS寄生电容不同)。

在RLC串联谐振电路里,其中L1和C1基本上不会消耗功率,电阻R1起到阻值振荡的作用阻尼作用,会消耗功率,所以R1的取值会一定程度上影响效率。

实际上这个电阻的值就决定了C1两端会不会振荡:

1、当R1>2(L1/C1)^0.5时,S1,S2为不相等的实数根:过阻尼情况,在这种情况下,基本不会发生振荡的。

2、当R1=2(L1/C1)^0.5时,S1,S2为两个相等的实数根:临界情况,在这种情况下,有振荡也是比较微弱的。

3、当R1<2(L1/C1)^0.5时,S1,S2为共轭复数根:欠阻尼情况,在这种情况下,电路一定会发生振荡。

对于上述的几个振荡需要消除的话,传统的电路会有如下几个选择:

1、增大电阻R1使R1≥2(L1/C1)^0.5,来消除振荡:对于增大R1会降低电源效率的,一般选择接近临界的阻值;较大的驱动电阻会导致PWM前后沿不同延迟和脉宽失真,会延迟PWM波高电平上升速度,开关损耗也会变大,所以并不能随意的增大驱动电阻;寄生电感L1对上升时间的影响比较小,主要还是驱动电阻R1影响比较大,上升时间可以用2*R1*Cgs来近似估算,通常上升时间小于导通时间的二十分之一时,MOS开关导通时的损耗不致于会太大造成发热问题,因此当MOS的最小导通时间确定后R1最大值也就确定了,一般R1在取值范围内越小越好,但是考虑EMI的话可以适当取大;

2、减小PCB走线寄生电感:所以PCB在布局布线中一定要注意的,尽量减少驱动线的长度和回路面积;

3、增大C1:但是实际操作比较难做到,因为C1的增大会使开通时间大大加长,影响MOS的开关速度;

在传统的电源设计里布局布线的时候走线的长度“整个驱动回路的长度”越短越好,而PI的这种集成式控制IC将MOS也集成到了控制芯片内部,最大化的减少了布线引起的寄生电感,是非常理想的方式,所以如果有机会,推荐使用一下PI的集成控制芯片体验一下。

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2021-12-29 11:37

最近老看见大侠的贴子

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2021-12-29 11:38

你是做反激的吗

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不可说
LV.5
4
2021-12-31 19:40
@电源技能成长记
最近老看见大侠的贴子

以前做过反激,对反激有一点了解。

现在做通信电源呢,正在学习LLC。

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svs101
LV.8
5
2022-01-03 18:47

一般PCB设计的走线引起的寄生电感怎么计算?实际用的时候怎么计算比较准确了?

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svs101
LV.8
6
2022-01-03 18:48

有的MOSFET管的手册没有给出寄生的GS电容值,该如何取值了?

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svs101
LV.8
7
2022-01-03 18:49

理论是这样的,实际设计的时候怎么操作了?有经验公式或者取值说明吗?

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不可说
LV.5
8
2022-01-05 23:36
@svs101
有的MOSFET管的手册没有给出寄生的GS电容值,该如何取值了?

这个值一般在pf级别,可以参考类似的其他厂家的GS容值大致估计一个

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不可说
LV.5
9
2022-01-05 23:37
@svs101
理论是这样的,实际设计的时候怎么操作了?有经验公式或者取值说明吗?

有可以推导的公式计算,如果有时间的话可以另外发一个帖子互相探讨一下这块的内容

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CDJ01
LV.4
10
2022-01-17 22:13

调试中可以看驱动波形来调整驱动电阻的大小,震荡厉害加大电阻

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hellbaron
LV.6
11
2022-01-19 10:55

芯片集成MOS,我感觉最大的优点就是节省空间了,有时候设计的电源没有那么大空间的。

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lkings
LV.6
12
2022-01-19 13:31

成本比较高吧!,另外MOS管内阻是不是也比较好做一点,

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2022-01-19 23:28

PI的IC将MOS也集成到了控制芯片内部,减小了线路的寄生参数。

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XHH9062
LV.8
14
2022-01-21 10:35

这种封装模式的对于散热是否有一定的要求?

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不可说
LV.5
15
2022-01-22 10:19
@lkings
成本比较高吧!,另外MOS管内阻是不是也比较好做一点,

是的,MOS的通态内阻也很大程度影响效率,以及管子发热。但是RDSon小的管子价格都挺高

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不可说
LV.5
16
2022-01-22 10:21
@XHH9062
这种封装模式的对于散热是否有一定的要求?

看控制芯片的封装,不适合外挂散热器的方式;

看PI的解决方案的单板模块,没看到风扇散热,猜测就是靠自然散热的方式,毕竟效率做的高。

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不可说
LV.5
17
2022-01-22 10:23
@hellbaron
芯片集成MOS,我感觉最大的优点就是节省空间了,有时候设计的电源没有那么大空间的。

是的,优缺点明显,

优点就是集成MOS使得MOS寄生参数最大程度降低,PCB面积节省,效率高,降低外围电路设计复杂程度等。

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liweicheng
LV.7
18
2022-01-22 15:31

MOS管如何抑制米勒效应?

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2022-01-22 20:57
@liweicheng
MOS管如何抑制米勒效应?

要抑制弥勒效应只能从根本上入手,要么减小弥勒电容,要么进行ZVS软开关,靠增大驱动电阻来减小弥勒效应会附带损耗增加的问题。

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2022-01-22 20:58

有点好奇。这种集成功率管的芯片,再其内部的功率管G极和驱动源之间有没有接驱动电阻啊

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小燕纸
LV.4
21
2022-01-22 22:55

中间的走线会被动引入寄生电感和寄生电容参数,是导致MOS的VGS电压波形震荡的主要因素吗

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不可说
LV.5
22
2022-01-22 23:25
@CDJ01
调试中可以看驱动波形来调整驱动电阻的大小,震荡厉害加大电阻

有时候也需要考虑是不是驱动电路产生的问题,比如自举驱动电路就可能会影响。

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不可说
LV.5
23
2022-01-22 23:27
@liweicheng
MOS管如何抑制米勒效应?

米勒这个问题,其实是管子寄生的电容Cds决定,通过驱动电路设计优化会改善一些。

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不可说
LV.5
24
2022-01-22 23:29
@川理学子
有点好奇。这种集成功率管的芯片,再其内部的功率管G极和驱动源之间有没有接驱动电阻啊

应该是示意图中并未完全放出来全部的图。

不过这个贴也是借题发挥一下,和大家交流交流。

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不可说
LV.5
25
2022-01-22 23:31
@小燕纸
中间的走线会被动引入寄生电感和寄生电容参数,是导致MOS的VGS电压波形震荡的主要因素吗

驱动芯片输出PWM波到开关器件的Gate极的这段路径主要会寄生电感,与管子的Cgs\Cgd\Cgs等寄生电容产生谐振,所以需要考虑布线。

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2022-01-23 19:53

内部集成MOS优点很突出啊,节省PCB空间、提高电源效率、减少集成参数、省去驱动电路、增加电路稳定性和调试难度、降低PCB布板难度

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天晴朗
LV.6
27
2022-01-23 21:57

PI的开关电源解决方案都在往集成化方向发展

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2022-01-24 13:23

减小PCB走线寄生电感这个,在实际应用中具体有哪些影响?

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鲁珀特
LV.4
29
2022-02-21 15:35

个人感觉将mos管集成到IC中能够极大的降低外部的环境噪声对开关的干扰。

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2022-02-21 22:27

PWM驱动走线会被动引入寄生电感和寄生电容参数,导致MOS的VGS电压波形出现不同程度的震荡

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liweicheng
LV.7
31
2022-02-25 22:08

MOS与控制芯片封装起来的,采用哪些驱动方式

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