eng
Выпуск #8/2019
Ф. Досталь
Как избежать одновременного открытия ключей в синхронных понижающих преобразователях при замедлении фронтов импульсов
Как избежать одновременного открытия ключей в синхронных понижающих преобразователях при замедлении фронтов импульсов
Просмотры: 1193
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.189.8.46.48
Разработчик импульсных источников питания вынужден искать баланс между высоким КПД и низким уровнем помех в диапазоне высоких частот. Компания Analog Devices предлагает решение, которое позволяет снизить электромагнитные помехи без риска короткого замыкания в синхронных понижающих преобразователях.
Разработчик импульсных источников питания вынужден искать баланс между высоким КПД и низким уровнем помех в диапазоне высоких частот. Компания Analog Devices предлагает решение, которое позволяет снизить электромагнитные помехи без риска короткого замыкания в синхронных понижающих преобразователях.
Теги: electromagnetic interference high-side and low-side active switches slowing down the pulse edge switching regulator synchronous buck converter активные ключи верхнего и нижнего плеча замедление фронта импульса импульсный стабилизатор синхронный понижающий преобразователь электромагнитные помехи
Как избежать одновременного открытия ключей в синхронных понижающих преобразователях при замедлении фронтов импульсов
Ф. Досталь 1
Импульсные стабилизаторы завоевали широкую популярность у разработчиков источников питания постоянного тока, поскольку обеспечивают высокий КПД и отличаются гибкостью применения – на их основе можно создать различные топологии: повышающие, понижающие, инвертирующие. Высокая скорость нарастания сигналов коммутации в импульсных стабилизаторах обеспечивает значительное снижение потерь на переключение. Однако уменьшение фронтов импульсов влечет за собой ряд проблем. В диапазоне частоты коммутации примерно от 20 до 200 МГц резко возрастают помехи. Поэтому разработчик импульсных источников питания вынужден искать баланс между высоким КПД и низким уровнем помех в диапазоне высоких частот. Компания Analog Devices предлагает решение, которое позволяет снизить риск короткого замыкания в синхронных понижающих преобразователях при замедлении фронтов импульсов с целью уменьшения электромагнитных помех.
На рис. 1 показаны импульсы с высокой и низкой скоростью нарастания напряжения. Быстрые фронты сигналов вызывают интенсивное наведение помех на соседние участки схемы. Проводники печатных плат с быстроменяющимися сигналами посредством емкостной связи оказывают влияние на соседние линии с высоким полным сопротивлением. Проводники, в которых быстро изменяется ток, индуктивно связаны с соседними линиями печатной платы и наводят на них помехи. Если снизить скорость нарастания импульсов, можно минимизировать эти эффекты.
На рис. 2 представлена апробированная методика для асинхронных импульсных стабилизаторов. Как видно на схеме, один из двух ключей выполнен в виде диода Шоттки. Резистор, последовательно включенный с компенсационным конденсатором в цепи обратной связи CBOOT, через который подается напряжение на затвор n-канального MOSFET верхнего плеча, служит для замедления импульсов, коммутирующих ключ. Такой подход используется в интегрированных импульсных стабилизаторах, в которых нет непосредственного соединения с цепью затвора силового MOSFET. При использовании контроллера переключения с внешним MOSFET резистор также можно включить в цепь затвора. Обычно применяют резистор сопротивлением менее 100 Ом.
Однако самые современные импульсные стабилизаторы – это синхронные стабилизаторы с активными ключами верхнего и нижнего плеча. В них нельзя замедлить нарастание импульсов с помощью резистора в цепи конденсатора CBOOT. Если в такой схеме использовать резистор, последовательно включенный с CBOOT, как показано на рис. 3, переключение верхнего ключа также замедлится. Однако это может привести к тому, что ключ нижнего плеча не будет полностью выключен. Таким образом, может возникнуть ситуация, когда ключи как верхнего, так и нижнего плеча будут какое-то время одновременно включены, что может вызвать короткое замыкание входного напряжения на землю. Кроме того, на скорость нарастания импульсов также влияют такие факторы, как рабочая температура и нестабильность технологических процессов. Поэтому даже при тестировании в лабораторных условиях нельзя гарантировать безопасность работы этих устройств.
Для замедления нарастания импульсов в синхронных импульсных стабилизаторах с интегрированными ключами следует использовать устройства, в которых можно установить крутизну фронтов импульсов с помощью встроенных схем. Пример такого устройства – ADP5014 от компании Analog Devices. В этой микросхеме реализовано решение, которое гарантирует, что при уменьшении скорости нарастания импульсов оба ключа не будут одновременно проводить ток, следовательно, не может возникнуть короткое замыкание. Причем это не требует применения резистора в цепи компенсационного конденсатора.
Что касается проблемы быстрых фронтов переключения, то нельзя не учитывать инновации последних лет. Технология Silent Switcher от компании Analog Devices позволяет значительно (до 40 дБ, или в 10 тыс. раз) снизить электромагнитные помехи из-за высокой скорости нарастания импульсов. Это дает возможность разрабатывать импульсные источники питания с чрезвычайно малыми фронтами сигналов, отвечающие высоким требованиям по электромагнитной совместимости. Устройства семейства Silent Switcher в большинстве случаев позволяют избежать уменьшения скорости нарастания импульсов для снижения уровня электромагнитных помех. Благодаря этой технологии можно отказаться от поиска компромисса между достижением максимальной эффективности преобразования и минимальными генерируемыми помехами. ●
Ф. Досталь 1
Импульсные стабилизаторы завоевали широкую популярность у разработчиков источников питания постоянного тока, поскольку обеспечивают высокий КПД и отличаются гибкостью применения – на их основе можно создать различные топологии: повышающие, понижающие, инвертирующие. Высокая скорость нарастания сигналов коммутации в импульсных стабилизаторах обеспечивает значительное снижение потерь на переключение. Однако уменьшение фронтов импульсов влечет за собой ряд проблем. В диапазоне частоты коммутации примерно от 20 до 200 МГц резко возрастают помехи. Поэтому разработчик импульсных источников питания вынужден искать баланс между высоким КПД и низким уровнем помех в диапазоне высоких частот. Компания Analog Devices предлагает решение, которое позволяет снизить риск короткого замыкания в синхронных понижающих преобразователях при замедлении фронтов импульсов с целью уменьшения электромагнитных помех.
На рис. 1 показаны импульсы с высокой и низкой скоростью нарастания напряжения. Быстрые фронты сигналов вызывают интенсивное наведение помех на соседние участки схемы. Проводники печатных плат с быстроменяющимися сигналами посредством емкостной связи оказывают влияние на соседние линии с высоким полным сопротивлением. Проводники, в которых быстро изменяется ток, индуктивно связаны с соседними линиями печатной платы и наводят на них помехи. Если снизить скорость нарастания импульсов, можно минимизировать эти эффекты.
На рис. 2 представлена апробированная методика для асинхронных импульсных стабилизаторов. Как видно на схеме, один из двух ключей выполнен в виде диода Шоттки. Резистор, последовательно включенный с компенсационным конденсатором в цепи обратной связи CBOOT, через который подается напряжение на затвор n-канального MOSFET верхнего плеча, служит для замедления импульсов, коммутирующих ключ. Такой подход используется в интегрированных импульсных стабилизаторах, в которых нет непосредственного соединения с цепью затвора силового MOSFET. При использовании контроллера переключения с внешним MOSFET резистор также можно включить в цепь затвора. Обычно применяют резистор сопротивлением менее 100 Ом.
Однако самые современные импульсные стабилизаторы – это синхронные стабилизаторы с активными ключами верхнего и нижнего плеча. В них нельзя замедлить нарастание импульсов с помощью резистора в цепи конденсатора CBOOT. Если в такой схеме использовать резистор, последовательно включенный с CBOOT, как показано на рис. 3, переключение верхнего ключа также замедлится. Однако это может привести к тому, что ключ нижнего плеча не будет полностью выключен. Таким образом, может возникнуть ситуация, когда ключи как верхнего, так и нижнего плеча будут какое-то время одновременно включены, что может вызвать короткое замыкание входного напряжения на землю. Кроме того, на скорость нарастания импульсов также влияют такие факторы, как рабочая температура и нестабильность технологических процессов. Поэтому даже при тестировании в лабораторных условиях нельзя гарантировать безопасность работы этих устройств.
Для замедления нарастания импульсов в синхронных импульсных стабилизаторах с интегрированными ключами следует использовать устройства, в которых можно установить крутизну фронтов импульсов с помощью встроенных схем. Пример такого устройства – ADP5014 от компании Analog Devices. В этой микросхеме реализовано решение, которое гарантирует, что при уменьшении скорости нарастания импульсов оба ключа не будут одновременно проводить ток, следовательно, не может возникнуть короткое замыкание. Причем это не требует применения резистора в цепи компенсационного конденсатора.
Что касается проблемы быстрых фронтов переключения, то нельзя не учитывать инновации последних лет. Технология Silent Switcher от компании Analog Devices позволяет значительно (до 40 дБ, или в 10 тыс. раз) снизить электромагнитные помехи из-за высокой скорости нарастания импульсов. Это дает возможность разрабатывать импульсные источники питания с чрезвычайно малыми фронтами сигналов, отвечающие высоким требованиям по электромагнитной совместимости. Устройства семейства Silent Switcher в большинстве случаев позволяют избежать уменьшения скорости нарастания импульсов для снижения уровня электромагнитных помех. Благодаря этой технологии можно отказаться от поиска компромисса между достижением максимальной эффективности преобразования и минимальными генерируемыми помехами. ●
Отзывы читателей
