當同步整流MOSFET電路的輸出對地短路時,電路進入了一種非常態的工作模式。在這種情況下,振蕩通常會更加劇烈,因為功率回路中的電流、電壓變化率(di/dt、dV/dt)達到了極端值。
那短路狀態下SW節點振蕩的機理是怎么樣的呢?
在正常工作模式下,電感電流在死區時間內會流過下管,同步整流MOSFET的體二極管。當短路發生時,這個過程被放大,其影響也更加惡劣。
我們來分解一下這個過程:
1.輸出短路:當輸出端對地短路時,輸出電壓Vout幾乎為0V。這意味著電感兩端的電壓差VL=Vsw - Vout ≈ Vsw。
2.上管導通時:上管導通,SW節點電壓被拉到接近輸入電壓Vin。由于Vout為0,電感兩端電壓為Vin,電感電流呈線性上升趨勢,且上升速度非常快(di/dt=Vin/L)。
3.上管關斷時,也就是振蕩發生時刻:
電感電流突然被切斷:上管關斷,試圖切斷電感電流。由于電感的阻礙,電流不能瞬間為零,它會尋找新的通路。此時,電感電流會流過同步整流MOSFET的體二極管。接著體二極管發生反向恢復,這是問題的核心!在正常工作時,體二極管導通的電流相對較小。但在短路狀態下,電感電流已經上升到了一個極高值。當體二極管導通后,控制器會驅動同步整流MOSFET導通。為了關斷體二極管,它會產生一個巨大的反向恢復電流。這個反向恢復電流是尖峰電壓和振蕩的直接激勵源。
這個巨大的反向恢復電流會流過功率回路中的各種寄生電感,比如MOSFET引腳電感、PCB走線電感。根據V=L·di/dt的關系,這個極大的di/dt會在寄生電感上感應出非常高的電壓尖峰。這個電壓尖峰與寄生電容,如下管的Coss,起形成一個高頻、高能量的LC振蕩回路。
如何優化這個問題呢?
極致地減小功率回路面積,將輸入電容、上管、下管之間的連接走線做到最短、最寬,以最大限度地減小寄生電感,這是解決所有高速開關振蕩問題的首要且最重要的手段。
增加Snubber緩沖電路,在SW節點和地之間并聯一個RC緩沖電路。在短路這種極端情況下,緩沖電路可以吸收振蕩能量,顯著降低振蕩峰值電壓。雖然會增加損耗,但在保護MOSFET方面非常有效。需要根據短路時觀察到的振蕩頻率來選擇合適的R和C值,以達到最佳的阻尼效果。