В синхронных понижающих импульсных источниках питания два MOSFET и выходной дроссель встречаются в коммутационном узле (Рисунок 1). Коммутационный узел часто подключается непосредственно к управляющей микросхеме. Напряжение в этом узле изменяется от значения, равного входному напряжению, то некоторого напряжения, меньшего уровня земли. Если напряжение опустится слишком низко относительно земли, структуры защиты от электростатических разрядов или другие цепи внутри микросхемы управления могут оказаться смещенными в прямом направлении, что приведет к протеканию токов через подложку микросхемы. Следствием этих нежелательных токов может стать неустойчивое поведение микросхемы, а при определенных условиях и ее повреждение. Хотя полностью исключить возникновение отрицательных напряжений в коммутационном узле невозможно, необходимо, чтобы напряжение на управляющей микросхеме не становилось настолько отрицательным, чтобы оно негативно влияло на микросхему или повреждало ее.
 |
||
| Рисунок 1. | Недостатком классического понижающего регулятора является чрезмерное отрицательное напряжение в коммутационном узле. |
|
Осциллограмма A на Рисунке 2а показывает форму напряжения в коммутационном узле при VIN = 12 В, VOUT = 3.5 В и токе 8 А. Когда верхний MOSFET открыт, выходной ток течет через него и через дроссель на выход. В это время напряжение в коммутационном узле равно VIN. Нижний MOSFET должен оставаться закрытым до полного выключения верхнего MOSFET. Когда верхний MOSFET закрывается, ток начинает течь из земли через нижний MOSFET и выходной дроссель. Мертвое время – это промежуток времени между выключением верхнего MOSFET и включением нижнего MOSFET. В интервале мертвого времени ток идет через паразитный диод нижнего MOSFET, и напряжение коммутационного узла, в зависимости от уровней тока и параметров MOSFET, составляет приблизительно –1 В. Когда открывается нижний MOSFET, ток протекает не через паразитный диод, а через МОП-структуру. В это время напряжение зависит от выходного тока и сопротивления MOSFET.
 |
||
| Рисунок 2. | Детальное рассмотрение осциллограмм на интервале мертвого времени (а) при трех сценариях (б): понижающий регулятор без доработок (кривая B), добавление диода Шоттки (кривая C), использование простого решения, показанного на Рисунке 3 (кривая D). |
|
В течение мертвого времени сумма отрицательного напряжения и выбросов, обусловленных звоном, может превысить предельное значение, допустимое для микросхемы управления. Осциллограмма B на Рисунке 2б показывает форму напряжения в коммутационном узле, когда верхний MOSFET выключается. Выходной ток течет через паразитный диод нижнего MOSFET, и падение напряжения на транзисторе равно –0.76 В. При звоне в схеме напряжение коммутационного узла может опускаться ниже –1 В; а ведь это напряжение, подаваемое непосредственно на управляющую микросхему. Когда нижний MOSFET включается, напряжение падает примерно до –0.1 В (8 А × 0.013 Ом). Ситуацию может исправить добавление диода Шоттки параллельно нижнему транзистору, но диод Шоттки велик, дорог и при этом мало влияет на напряжение. Кривая C на Рисунке 2б демонстрирует форму напряжения, возникающего при добавлении большого диода Шоттки MBRD835L в корпусе D-Pak. Диод уменьшает напряжение до –0.6 В. Напряжение на выводе управляющей микросхемы при звоне составляет –0.7 В.
 |
||
| Рисунок 3. | Перемещение одного резистора и добавление слаботочного диода Шоттки минимизирует напряжение коммутационного узла. |
|
Небольшая и недорогая схема, показанная на Рисунке 3, значительно снижает напряжение в коммутационном узле на выводе микросхемы управления. Резистор из цепи затвора перемещен к истоку верхнего MOSFET. Наблюдение за током микросхемы, когда она заряжает и разряжает емкость затвора верхнего транзистора, показывает, что перемещение резистора на работу схемы не влияет. К управляющей микросхеме подключен диод Шоттки в корпусе SOT-23 или SOD-123 с допустимым током 0.5 А. Как можно видеть из осциллограммы D на Рисунке 2б, когда напряжение на паразитном диоде MOSFET достигает –1 В, диод Шоттки ограничивает напряжение на микросхеме примерно до –0.3 В. Полный выходной ток проходит через MOSFET, а резистор ограничивает ток через диод Шоттки. Это небольшое и недорогое решение предотвращает неправильную работу или повреждение микросхемы, управляющей источником питания.
