波形审核：开关节点切换期间出现小颠簸

[导读]如果实习医生看到他从未在医学手册中读过的症状，他会诊断什么？集成电路 (IC) 验证工程师在其职业生涯的早期可以提出类似的问题。事实上，就像医生一样，一名验证工程师被指派评估 IC 的“健康状况”并做出正确的“诊断”，这有时需要结合实际经验对设备“解剖结构”有深入的了解。

1.前言

如果实习医生看到他从未在医学手册中读过的症状，他会诊断什么？集成电路 (IC) 验证工程师在其职业生涯的早期可以提出类似的问题。事实上，就像医生一样，一名验证工程师被指派评估 IC 的“健康状况”并做出正确的“诊断”，这有时需要结合实际经验对设备“解剖结构”有深入的了解。

医生可以通过监测患者的心跳开始检查。开关模式 DC/DC 转换器的验证工程师还监控心跳：开关节点。但是如果开关波形看起来不像大多数教科书显示的那样怎么办？这是否表明某种设备“疾病”，或者工程师可以将状态解释为正常吗？

在这篇文章中我将讨论“兔耳朵”——一种“症状”，在开关节点切换期间出现小颠簸。

考虑在连续导通模式下运行的同步降压转换器（图 1）。在 t1（图 2），低侧开关关闭，高侧开关打开。从 t1 到 t2，高侧开关导通，V sw等于 V IN（忽略 R DS(on)损耗）。在此期间，电感电流增加。在 t2 时刻，高边开关关闭，低边开关打开，电感电流开始流过它。从 t2 到 t3，低侧开关导通，V sw等于 GND（忽略 R DS(on)损耗）。在此期间，电感电流减小。在t3，循环再次开始。

我们可以在大多数文献中找到图 2 中所示的开关引脚和电感器电流的典型波形图。但是，如果我们去实验室进行测量，我们会发现示波器图片（图 3）可能看起来有些不同——它可以在切换时刻在切换节点上显示“兔耳朵”。这是什么原因造成的？

图 1：同步降压转换器的简化图

图 2：在连续导通模式下工作的降压转换器的电感电流 (I L ) 和开关节点 (V sw ) 的波形图

图 3：电感电流和开关节点的示波器图片与兔耳

秘诀在于图 2 所示的简单模型没有考虑切换动态。实际上，开关阶段之间的转换不是瞬时的。打开和关闭输出级的晶体管需要几纳秒的时间。为了避免开关之间的交叉导通，一个开关应该在另一个开始闭合之前断开。两个晶体管都关闭（开路）的时间称为“死区时间”。

当两个开关都关闭时，电流流向哪里？事实上，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 在漏极和源极之间有一个寄生体二极管（图 4），因此在死区时间内，电感电流流过其中一个开关的体二极管。在这段时间内，开关节点的幅度增加了大约等于二极管正向压降的值。这种幅度增加在开关节点波形中显示为兔耳。

图 4：同步降压转换器的输出级和输出滤波器的简化图

兔耳的位置取决于开关时刻电感电流的方向。在大多数应用中，降压转换器提供电流。但在某些应用中，降压转换器也应该能够吸收电流。例如，TPS65175 是一款完全可编程的液晶显示器 (LCD) 偏置 IC，它集成了一个 HVDD 降压转换器，可以吸收和提供电流。

表1总结了同步降压转换器兔耳不同位置的五种情况。

表 1：同步降压转换器兔耳的不同位置取决于电感电流方向

图 5：高侧体二极管的传导 (a)；低侧体二极管的导通 (b)

如果切换节点是心跳，而验证工程师是医生，他们会像正常情况一样诊断兔耳的存在。兔耳确实会导致效率略有下降，因为在体二极管传导过程中会损失一些能量。那么挑战就变成了如何优化开关模式 DC/DC 转换器的开关时间。