二极管@@仿真模式@@在@@同步@@@@BUCK里面的应用@@

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作者@@:Stanley Dai,TI E2E™ 中@@文设计论坛@@

高效化和@@小型化@@,一直都是功率电源发展的两个方向@@。同步@@BUCK在@@这两个方面的卓越表现@@,也是在@@越来越多的场合得到了运用@@,像锂电池充电@@、二次砖块电源等等@@。如图@@@@1所示@@,同步@@BUCK相较传统@@BUCK最主要的区别是用@@MOSFET器件代替了传统的续流二极管@@@@,而@@MOSFET更低的导通损耗也为整个电源系统带来了更高的效率@@。但是在@@电池充电和@@其他大容性负载的场合@@,拥有更高效率的同步@@@@BUCK在@@电路@@软起动阶段@@@@,会遇到比较大的挑战@@。甚至在@@某些恶劣情况下@@,过大的反向电感电流会导致电感饱和@@或者下管@@@@MOSFET被击穿的风险@@。

图@@1 异步@@BUCK和@@同步@@@@BUCK示意图@@@@

图@@1 异步@@BUCK和@@同步@@@@BUCK示意图@@@@

同步@@BUCK软起动阶段@@反向电感电流示意图@@@@@@

图@@2 同步@@BUCK软起动阶段@@反向电感电流示意图@@@@@@

原因是同步@@@@BUCK在@@软起阶段@@,如果输出端是带电池或者其他大容性负载情况@@,重启时输出端极易残余一定的电压@@。而@@同步@@@@BUCK在@@软起动阶段@@@@,其上管驱动信号@@占空比会从小到大逐周期释放@@。这就造成每个周期电感电流上升值@@无法弥补由于残余电压造成的反向电感电流跌路值@@@@。再加上同步@@@@BUCK天然支持@@FCCM模式@@,电感电流会反向不断增大@@,以至于无法遏制@@。如图@@@@2所示@@,在@@这种情况下@@,过大的反向电感电流会导致电感饱和@@或者下管@@@@过流损坏@@,对电路@@造成不可逆的伤害@@。

为了解决这个问题@@,最直接有效的方法是在@@同步@@@@BUCK软启动阶段引入二极管@@仿真模式@@@@,让下管@@@@MOSFET驱动强制拉低@@,只让其寄生的反并联二极管@@参与工作@@。TI在@@工业界应用极其广泛的同步@@@@BUCK控制器@@LM5116,就自带这个功能@@。下图@@@@3表明了@@LM5116内部实现该功能的逻辑图@@@@,在@@LM5116软起动阶段@@,其通过比较@@SW和@@DEMB点电压判断电感电流是否为负值@@@@。若电感电流为负值@@@@,内置的比较器会主动拉低下管@@@@MOSFET驱动信号@@,以强制同步@@@@BUCK进入二极管@@仿真模式@@@@,以保护电路@@不被过大的负电感电流损坏@@。这个特性@@,也让@@LM5116在@@市场上广受欢迎@@。

LM5116内部框图@@和@@二级管仿真模式@@实现图@@@@

图@@3 LM5116内部框图@@和@@二级管仿真模式@@实现图@@@@

当然@@,除了上述@@LM5116自带的集成功能之外@@,本文也在@@下面介绍了怎么用分立的方案更灵活地在@@其他同步@@@@BUCK设计中@@搭建二极管@@仿真模式@@以保护下管@@@@MOSFET。以半桥驱动@@LM5102为例@@,见图@@@@4。

基于@@LM5102/TLV6742/LM2903搭建的分立二极管@@仿真模式@@实现方案@@

图@@4 基于@@LM5102/TLV6742/LM2903搭建的分立二极管@@仿真模式@@实现方案@@

TI的半桥驱动器@@LM5102,以其死区时间可控@@,双入双出的架构优点@@,倍受电源设计市场的喜爱@@。在@@图@@@@4中@@,利用@@TLV6742运放搭建下管@@低边电流信号同向放大电路@@@@。当电感电流为一定负值@@时@@,超过设定的阈值@@@@,会触发比较器@@LM2903输出电平跳变为高@@,从而@@输出关断信号@@。该关断信号连接到@@LM5102下管@@PWM信号输入端的制动@@MOSFET驱动极@@,从而@@拉低@@LM5102下管@@输入端信号@@,以强制让同步@@@@BUCK进入二极管@@仿真模式@@@@。

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