二極管仿真模式在同步BUCK里面的應(yīng)用
發(fā)布時間:2021-08-09 來源:Stanley Dai 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】高效化和小型化,一直都是功率電源發(fā)展的兩個方向。同步BUCK在這兩個方面的卓越表現(xiàn),也是在越來越多的場合得到了運(yùn)用,像鋰電池充電、二次磚塊電源等等。如圖1所示,同步BUCK相較傳統(tǒng)BUCK最主要的區(qū)別是用MOSFET器件代替了傳統(tǒng)的續(xù)流二極管,而MOSFET更低的導(dǎo)通損耗也為整個電源系統(tǒng)帶來了更高的效率。但是在電池充電和其他大容性負(fù)載的場合,擁有更高效率的同步BUCK在電路軟起動階段,會遇到比較大的挑戰(zhàn)。甚至在某些惡劣情況下,過大的反向電感電流會導(dǎo)致電感飽和或者下管MOSFET被擊穿的風(fēng)險。
圖1 異步BUCK和同步BUCK示意圖
圖2 同步BUCK軟起動階段反向電感電流示意圖
原因是同步BUCK在軟起階段,如果輸出端是帶電池或者其他大容性負(fù)載情況,重啟時輸出端極易殘余一定的電壓。而同步BUCK在軟起動階段,其上管驅(qū)動信號占空比會從小到大逐周期釋放。這就造成每個周期電感電流上升值無法彌補(bǔ)由于殘余電壓造成的反向電感電流跌路值。再加上同步BUCK天然支持FCCM模式,電感電流會反向不斷增大,以至于無法遏制。如圖2所示,在這種情況下,過大的反向電感電流會導(dǎo)致電感飽和或者下管過流損壞,對電路造成不可逆的傷害。
為了解決這個問題,最直接有效的方法是在同步BUCK軟啟動階段引入二極管仿真模式,讓下管MOSFET驅(qū)動強(qiáng)制拉低,只讓其寄生的反并聯(lián)二極管參與工作。TI在工業(yè)界應(yīng)用極其廣泛的同步BUCK控制器LM5116,就自帶這個功能。下圖3表明了LM5116內(nèi)部實(shí)現(xiàn)該功能的邏輯圖,在LM5116軟起動階段,其通過比較SW和DEMB點(diǎn)電壓判斷電感電流是否為負(fù)值。若電感電流為負(fù)值,內(nèi)置的比較器會主動拉低下管MOSFET驅(qū)動信號,以強(qiáng)制同步BUCK進(jìn)入二極管仿真模式,以保護(hù)電路不被過大的負(fù)電感電流損壞。這個特性,也讓LM5116在市場上廣受歡迎。
圖3 LM5116內(nèi)部框圖和二級管仿真模式實(shí)現(xiàn)圖
當(dāng)然,除了上述LM5116自帶的集成功能之外,本文也在下面介紹了怎么用分立的方案更靈活地在其他同步BUCK設(shè)計(jì)中搭建二極管仿真模式以保護(hù)下管MOSFET。以半橋驅(qū)動LM5102為例,見圖4。
圖4 基于LM5102/TLV6742/LM2903搭建的分立二極管仿真模式實(shí)現(xiàn)方案
TI的半橋驅(qū)動器LM5102,以其死區(qū)時間可控,雙入雙出的架構(gòu)優(yōu)點(diǎn),倍受電源設(shè)計(jì)市場的喜愛。在圖4中,利用TLV6742運(yùn)放搭建下管低邊電流信號同向放大電路。當(dāng)電感電流為一定負(fù)值時,超過設(shè)定的閾值,會觸發(fā)比較器LM2903輸出電平跳變?yōu)楦?,從而輸出關(guān)斷信號。該關(guān)斷信號連接到LM5102下管PWM信號輸入端的制動MOSFET驅(qū)動極,從而拉低LM5102下管輸入端信號,以強(qiáng)制讓同步BUCK進(jìn)入二極管仿真模式。
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