同步降压转换器中栅极驱动器强度的影响

同步降压转换器中相位节点的峰值电压 V PH是确定转换器可靠性的主要规格之一。设计人员通常允许相位节点振铃高达 MOSFET 数据表绝对最大额定值的 85% 至 90%。这个裕度对于转换器的长期可靠性是必要的，因为电路需要在很宽的环境温度范围内（-40 0 C 到 + 85 0 C）安全运行。

从驱动器方面来看，导致相位节点振铃的主要因素是上部 MOSFET FET UPPER 导通过程中的栅极驱动器强度。让我们分析它在具有不同栅极驱动器电阻值的转换器中的影响。

图 1 显示了具有上部 MOSFET 栅极驱动器部分的同步降压转换器的顶层。FET UPPER需要充电才能开启。该电荷来自启动电容器 C BOOT。充电路径从 C BOOT开始，到 R BOOT，再到上拉驱动器 P-MOSFET (D UP )、FET UPPER输入电容器，然后返回到 C BOOT。

图 1：顶级同步降压转换器

为简化比较，将 R BOOT视为短路，并假设 MOSFET D UP行为在 FET UPPER 导通期间为线性电阻。由于较高的开关功率损耗，较高的 D UP电阻值具有较低的峰值振铃电压和较低的转换器效率。较低的电阻值具有较高的峰值振铃电压和更好的效率。

图 2 显示了具有不同栅极驱动器强度值的相位节点振铃的上升沿。波形来自 TPS543C20 评估板，其中 V IN =12V、V OUT =1V、F SW = 500 kHz、I LOAD = 40A。6Ω D UP的峰值振铃电压比8Ω D UP高约6V 。TPS543C20 内部D UP的电阻值可以通过外部通信接口（例如I 2 C 协议）进行编程。波形来自相同的器件和相同的评估板，以最大限度地减少与其他组件的差异。

现在，让我们将具有不同启动电阻值的 6Ω D UP与 8Ω D UP 进行比较。从电路分析的第一阶来看，6Ω D UP和 2Ω 启动电阻应该具有与 8Ω D UP相同的峰值振铃电压。图 2 还将 6Ω D UP值与 1Ω、3Ω 和 5Ω 启动电阻器进行了比较。这些配置的峰值振铃电压高于 8Ω D UP值。

我们可能会问为什么带有 2Ω 启动电阻的 6Ω D UP和 8Ω D UP值没有相同的峰值振铃电压结果。这是因为 D UP表现为动态 MOSFET，与 R BOOT 的纯电阻相比，它在导通过程中需要时间。因此，具有 6Ω D UP和 6Ω D UP加上启动电阻的相位节点的上升斜率具有相同的比率，并且比 8Ω D UP斜率更快。

图 2：TPS543C20 器件上的相位节点振铃

图 3 比较了所有配置的效率。结果清楚地与我们之前的评估相关。6Ω D UP效率最高，峰值电压振铃最高。而且，8Ω D UP效率最低，峰值电压振铃最低。

图 3：效率与栅极驱动器强度变化的比较

优化主功率级 MOSFET 的栅极驱动器强度以确保可靠性并获得最高转换器效率至关重要。栅极驱动器强度的微小变化会导致转换器性能的巨大变化。在我们的下一个设计中考虑使用 TPS543C20 固定频率、非补偿可堆叠同步降压转换器。