Очень большие или очень малые коэффициенты заполнения, особенно при высоких частотах переключения, могут привести к временнóму рассогласованию и, как следствие, к ухудшению характеристик системы.
Аннотация
Это третья статья из серии, в которой будут обсуждаться распространенные ошибки при проектировании импульсных источников питания, а также способы их устранения. В ней рассматриваются сложности, возникающие при проектировании силовых каскадов импульсных DC/DC регуляторов, с акцентом на силовые транзисторы и вольтодобавочный (бутстрепный) конденсатор. Для силовых транзисторов установлены минимальный и максимальный коэффициенты заполнения, нарушение которых приводит к ухудшению характеристик импульсного источника питания. Кроме того, при отсутствии вольтодобавочного конденсатора транзисторы не будут работать должным образом.
Введение
В этой статье понижающие преобразователи используются для демонстрации последствий игнорирования временных характеристик силовых транзисторов, а также того, что происходит при удалении вольтодобавочного конденсатора. Подробное описание работы понижающих преобразователей можно найти в первой статье этой серии «Анализ импульсных источников питания и питания и устранение ошибок. Нарушения в работе дросселя» [1]. Для силовых транзисторов установлены минимальные времена включенного и выключенного состояний, необходимые для обеспечения надлежащего заряда и разряда емкости затвора полевого транзистора, гарантирующего их полное включение и выключение. Если пренебречь этими требованиями (например, ради повышения скорости переключения), возникают такие проблемы, как нестабильность выходного напряжения и искажение частоты переключения. Кроме того, для обеспечения нормальной работы этих транзисторов критически важен вольтодобавочный конденсатор. Отсутствие этого конденсатора приведет к тому, что управляющего напряжения будет недостаточно для полного открывания транзисторов.
Что такое вольтодобавочный конденсатор?
Вольтодобавочный конденсатор отвечает за обеспечение надлежащей работы верхнего n-канального MOSFET. Он показан на Рисунке 1 и выделен красным цветом.
 |
|
| Рисунок 1. | Блок-схема из технического описания микросхемы LT8610, демонстрирующая функцию конденсатора вольтодобавки. |
Когда верхний n-канальный MOSFET закрыт, потенциалы коммутационного узла и источника входного напряжения примерно равны. Это означает, что напряжение на истоке верхнего MOSFET превышает напряжение на его затворе (подаваемое с драйвера затвора). Без положительного напряжения между затвором и истоком, превышающего пороговое напряжение n-канального полевого транзистора, MOSFET открыться не может. Поэтому используется конденсатор вольтодобавки, благодаря которому напряжение на затворе всегда остается выше напряжения на истоке.
Пренебрежение конденсатором вольтодобавки
Отказ от использования вольтодобавочного конденсатора не дает разработчикам никаких очевидных преимуществ, однако они могут пойти на это, чтобы сократить количество и стоимость компонентов, либо просто забыть включить эти компоненты, не осознавая минусов такого решения. Между тем, вольтодобавочный конденсатор необходим для того, чтобы микросхема могла обеспечить на затворе верхнего полевого транзистора напряжение, достаточное для его полного открывания, как показано на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Коммутационный узел без вольтодобавочного конденсатора. |
Если верхний полевой транзистор открывается не полностью, устройство не сможет стабилизировать выходное напряжение. Полевой транзистор будет работать в линейной области, рассеивая значительную мощность и нагревая микросхему.
Для решения этой проблемы разработчикам необходимо добавить вольтодобавочный конденсатор. Если разработчики не уверены, какой должна быть его емкость, им следует выбрать значение из примера в техническом описании, наиболее близкого к их приложению. Если устройству требуется вольтодобавочный конденсатор, его отсутствие приведет к выходу из строя импульсного источника питания. Добавление повышающего конденсатора позволит драйверу затвора верхнего плеча уверенно обеспечивать насыщение полевого транзистора, позволяя ему действовать как переключатель и подавать полное входное напряжение на коммутационный узел. Это можно увидеть на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Коммутационный узел с вольтодобавочным конденсатором. |
Нарушение требований к минимальному времени включенного состояния
Чтобы уменьшить занимаемую на плате площадь, разработчики часто выбирают более высокие частоты переключения, даже ценой снижения КПД из-за возросших потерь при переключении. Однако когда устройство работает на высокой частоте и с большим коэффициентом понижения, коэффициент заполнения неизбежно становится меньше и может опуститься ниже минимально допустимого значения. Минимальный коэффициент заполнения определяется следующей формулой:
DMIN = tMIN_ON × FSW.
Здесь
tMIN-ON – минимальное время, в течение которого дроссель заряжается от входного источника,
FSW – частота переключения.
Для микросхем импульсных преобразователей установлено значение минимального времени включения, которое разработчики должны соблюдать для обеспечения правильной работы полевых транзисторов (поскольку они не могут переключаться мгновенно). Разработчики могут выбирать частоту переключения по своему усмотрению. Однако при выборе слишком высокой частоты переключения и слишком большого коэффициента понижения время включения вынужденно становится меньше минимального значения.
Когда время включения принудительно снижается ниже своего минимального значения, ток дросселя будет разряжаться быстрее, чем заряжаться за один период. С началом нового периода начальная точка оказывается ниже, чем в предыдущих циклах, что называется падением тока. В конечном итоге, как ток, так и выходное напряжение падают настолько низко, что для стабилизации выходного напряжения устройство вынуждено внутренне генерировать бóльший коэффициент заполнения (с бóльшим временем включения), как показано на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Осциллограмма тока при нарушении требований к минимальному времени включения. |
Это падение пульсаций тока дросселя также проявляется и в выходном напряжении преобразователя. Пульсации выходного напряжения становятся более зашумленными, что может повлиять на чувствительные нагрузки и увеличить излучение электромагнитных помех. Этот эффект можно увидеть на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Осциллограмма выходного напряжения при нарушении требований к минимальному времени включения. |
Данная проблема имеет простое решение. Поскольку время включенного состояния в первую очередь зависит от частоты переключения, разработчики могут устранить проблему, снизив частоту. Но это влечет за собой необходимость использования более крупных компонентов силового каскада, в первую очередь – более крупного дросселя. Улучшенную функциональность понижающего преобразователя можно увидеть по стабильному времени включения в соседних периодах, а также по стабильным пульсациям тока на Рисунке 6 и стабильным пульсациям выходного напряжения на Рисунке 7.
 |
|
| Рисунок 6. | Стабильные пульсации тока. |
 |
|
| Рисунок 7. | Стабильные пульсации выходного напряжения. |
Нарушение требований к минимальному времени закрытого состояния
В некоторых приложениях могут потребоваться небольшие коэффициенты понижения, что создает риск нарушения требований к минимальному времени выключенного состояния. Время tMIN-OFF является дополнением к tMIN-ON и представляет собой минимальное время, в течение которого дроссель не заряжается от входного напряжения. Как и в случае с требованием к времени включения, импульсный источник питания должен быть выключен в течение заданного периода времени, чтобы обеспечить правильную работу полевых транзисторов (позволяя им полностью разрядиться). Условия минимального времени выключения нарушается, когда требуемый коэффициент заполнения превышает максимально допустимое значение, определяемое следующей формулой:
DMAX = 1 – (tMIN_OFF × FSW).
Если коэффициент заполнения превышает максимальное значение, источник питания снизит частоту, на которую он был настроен, чтобы избежать нарушения требований к минимальному времени выключения, указанному в техническом описании. Это можно увидеть на Рисунке 8. Изначально устройство было сконфигурировано на частоту 2 МГц.
 |
|
| Рисунок 8. | Осциллограмма тока при нарушении требований к минимальному времени выключения. Частота снижается до 335 кГц. |
На Рисунке 9 показано, как по мере увеличения нагрузки устройство снижает частоту для поддержания постоянного выходного напряжения. Устройство работало в режиме прерывистой проводимости (DCM) до тока нагрузки порядка 0.28 А, поэтому частота снижается примерно до 495 кГц, а затем снова повышается до 657 кГц. Устройство может поддерживать нормальную работу на частоте 657 кГц до тех пор, пока нагрузка не достигнет 0.7 А. Частота снижается для поддержания нужного выходного напряжения до тех пор, пока ток нагрузки не достигнет примерно 1.4 А. Когда это происходит, устройство не может уменьшить частоту ниже 100 кГц (минимальная указанная в документации частота обратной связи для данного устройства) при сохранении выходного напряжения, поэтому выходное напряжение начинает падать.
 |
|
| Рисунок 9. | Стабилизация по току нагрузки и прогрессирующее снижение частоты. По мере увеличения нагрузки частота снижается, чтобы поддерживать заданный уровень выходного напряжения. |
Решение этой проблемы не так просто, как в случае с минимальным временем включения. Поскольку входное и выходное напряжения часто заданны разработчикам, изменить коэффициент заполнения для увеличения времени выключенного состояния невозможно. Если они смогут обеспечить более высокое входное напряжение, устройство будет работать на заданной частоте, поскольку меньший коэффициент заполнения не позволит устройству нарушить требования к минимальному времени выключения. Это видно на Рисунке 10, где микросхема работает на заданной частоте 2 МГц.
 |
|
| Рисунок 10. | Осциллограмма тока при соблюдении требований к минимальному времени выключения. Установленная частота – 2 МГц. |
В отличие от ситуации с минимальной длительностью включенного состояния, снижение частоты будет эффективно только до определенного тока нагрузки. Если разработчик не может снизить частоту переключения до значения, достаточного, чтобы не допустить нарушения требований к минимальному времени выключения, оптимальным решением будет выбор другой микросхемы, способной работать с более высокими коэффициентами заполнения и более короткими периодами включения.
Заключение
В этой статье, завершающей серию публикаций, посвященных распространенным ошибкам при проектировании импульсных источников питания, рассматривались вопросы обеспечения правильного режима работы силового транзистора. Установка слишком высокого или слишком низкого коэффициента заполнения приведет к дестабилизации импульсного преобразователя, что повлечет за собой такие нежелательные последствия, как снижение частоты переключения, нестабилизированное выходное напряжение и нежелательное поведение дросселя в отношении тока. Кроме того, пренебрежение вольтодобавочным конденсатором может не только помешать нормальной работе транзистора, но и привести к фатальным последствиям для нагрузки, транзистора или самой микросхемы.
