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。