eng
Выпуск #5/2019
Ф. Досталь
Снижение помех в синхронных понижающих преобразователях с помощью дополнительного диода Шоттки на примере ADP2443 от компании Analog Devices
Снижение помех в синхронных понижающих преобразователях с помощью дополнительного диода Шоттки на примере ADP2443 от компании Analog Devices
Просмотры: 1400
В статье описан способ минимизации помех в схеме синхронного понижающего преобразователя, построенного на основе импульсного стабилизатора ADP2443 от компании Analog Devices.
Теги: body diode high-side switch low-side switch n-channel mosfet n-канальный mosfet schottky diode synchronous step-down converter встроенный диод диод шоттки ключ верхнего плеча ключ нижнего плеча синхронный понижающий преобразователь
Для построения локализованных к нагрузке понижающих преобразователей широко применяют синхронные схемы, содержащие активные ключи верхнего и нижнего плеча. Импульсные стабилизаторы выгодно отличаются от схем, в которых в качестве ключа нижнего плеча используется пассивный диод Шоттки. Основное их преимущество – более высокая эффективность преобразования напряжения вследствие меньшего падения напряжения, возникающего когда ключ нижнего плеча проводит ток. Однако по сравнению с асинхронными импульсными стабилизаторами синхронные преобразователи могут стать причиной более высокого уровня помех в схеме. В статье описан способ минимизации этих помех.
На рис. 1 показана схема понижающего преобразователя на основе синхронного импульсного стабилизатора с идеальными ключами. Когда оба ключа закрываются одновременно, даже на короткий период времени, возникает короткозамкнутая цепь между входным напряжением и землей, что может вывести ключи из строя. Необходимо обеспечить, чтобы два ключа никогда не включались одновременно. Из соображений безопасности нужно предусмотреть определенный период времени, в течение которого оба ключа находятся в выключенном состоянии, – время паузы .
Однако следует отметить, что ток через катушку индуктивности L1 (см. рис. 1), которая соединяет коммутационный узел (общую точку ключей) с выходным напряжением, нельзя изменить мгновенно. Он увеличивается или уменьшается плавно, а не скачкообразно. Таким образом, во время паузы включения ключей могут возникнуть проблемы. Все пути тока прерываются на коммутационном узле схемы. В случае идеальных ключей, как показано на рис. 1, во время паузы на коммутационном узле появляется бесконечное отрицательное напряжение. В ситуации с реальными ключами это отрицательное напряжение увеличивается до тех пор, пока не произойдет пробой одного из ключей, и он не начнет пропускать ток.
В большей части импульсных стабилизаторов в качестве активных ключей используются n-канальные MOSFET. Такие устройства отличаются полезным для применения в подобных схемах свойством – так называемым встроенным диодом (body diode), который представляет собой p-n-переход между истоком и стоком транзистора. На рис. 2 показано, как включены MOSFET в качестве активных ключей в схеме импульсного стабилизатора. В такой схеме напряжение на коммутационном узле не снижается до бесконечности даже во время паузы между включением ключей, вместо этого p-n-переход в MOSFET нижнего плеча (показан на схеме красным цветом) будет проводить ток до тех пор, пока не завершится пауза и не включится MOSFET нижнего плеча.
Однако встроенные диоды в MOSFET обладают серьезным недостатком. Из-за эффекта обратного восстановления они характеризуются очень низкой скоростью переключения. Во время обратного восстановления напряжение на коммутационном узле падает до нескольких вольт ниже уровня земли благодаря катушке L1. Такие резкие скачки напряжения приводят к помехам, которые из-за емкостной связи могут наводиться на другие участки схемы. Помехи можно минимизировать путем включения дополнительного диода Шоттки, как показано на рис. 2. В отличие от встроенного диода в MOSFET нижнего плеча, этому диоду не требуется время для обратного восстановления. В паузе между включением MOSFET он сразу же начинает пропускать ток. Это обеспечивает намного меньший перепад напряжения в коммутационном узле. Как следствие, генерируется и распространяется по схеме гораздо меньше помех.
Диод Шоттки очень компактен, поскольку проводит ток только в короткие периоды пауз, сильно не нагревается и его можно поместить в небольшой и недорогой
корпус.
На рис. 1 показана схема понижающего преобразователя на основе синхронного импульсного стабилизатора с идеальными ключами. Когда оба ключа закрываются одновременно, даже на короткий период времени, возникает короткозамкнутая цепь между входным напряжением и землей, что может вывести ключи из строя. Необходимо обеспечить, чтобы два ключа никогда не включались одновременно. Из соображений безопасности нужно предусмотреть определенный период времени, в течение которого оба ключа находятся в выключенном состоянии, – время паузы .
Однако следует отметить, что ток через катушку индуктивности L1 (см. рис. 1), которая соединяет коммутационный узел (общую точку ключей) с выходным напряжением, нельзя изменить мгновенно. Он увеличивается или уменьшается плавно, а не скачкообразно. Таким образом, во время паузы включения ключей могут возникнуть проблемы. Все пути тока прерываются на коммутационном узле схемы. В случае идеальных ключей, как показано на рис. 1, во время паузы на коммутационном узле появляется бесконечное отрицательное напряжение. В ситуации с реальными ключами это отрицательное напряжение увеличивается до тех пор, пока не произойдет пробой одного из ключей, и он не начнет пропускать ток.
В большей части импульсных стабилизаторов в качестве активных ключей используются n-канальные MOSFET. Такие устройства отличаются полезным для применения в подобных схемах свойством – так называемым встроенным диодом (body diode), который представляет собой p-n-переход между истоком и стоком транзистора. На рис. 2 показано, как включены MOSFET в качестве активных ключей в схеме импульсного стабилизатора. В такой схеме напряжение на коммутационном узле не снижается до бесконечности даже во время паузы между включением ключей, вместо этого p-n-переход в MOSFET нижнего плеча (показан на схеме красным цветом) будет проводить ток до тех пор, пока не завершится пауза и не включится MOSFET нижнего плеча.
Однако встроенные диоды в MOSFET обладают серьезным недостатком. Из-за эффекта обратного восстановления они характеризуются очень низкой скоростью переключения. Во время обратного восстановления напряжение на коммутационном узле падает до нескольких вольт ниже уровня земли благодаря катушке L1. Такие резкие скачки напряжения приводят к помехам, которые из-за емкостной связи могут наводиться на другие участки схемы. Помехи можно минимизировать путем включения дополнительного диода Шоттки, как показано на рис. 2. В отличие от встроенного диода в MOSFET нижнего плеча, этому диоду не требуется время для обратного восстановления. В паузе между включением MOSFET он сразу же начинает пропускать ток. Это обеспечивает намного меньший перепад напряжения в коммутационном узле. Как следствие, генерируется и распространяется по схеме гораздо меньше помех.
Диод Шоттки очень компактен, поскольку проводит ток только в короткие периоды пауз, сильно не нагревается и его можно поместить в небольшой и недорогой
корпус.
Отзывы читателей
