使用 30V 栅极驱动器管理电源噪声

1.前言

世界是一个嘈杂的地方——电源也不例外。为了追求更高的效率，电源转换器以越来越快的速度切换会产生意想不到的问题，包括增加系统对瞬态和噪声的敏感性。在选择如何设计电源以及使用哪些组件来设计电源时，考虑到这种敏感性很重要。

2.噪音从何而来？

瞬变和噪声从何而来？除了在许多电气系统中发现的一般噪声外，高频电源本身通常最终会产生它们。看一下图 1，它显示了一个控制器和一个栅极驱动器，用于驱动金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

图 1：瞬态电流 (di/dt) 对电源转换器中栅极驱动器输入的影响

当栅极驱动器打开和关闭 FET 时，可能会出现瞬态和噪声。寄生迹线电感和 MOSFET 的源极电感与当今电源的快速开关相结合，可能会导致栅极驱动器集成电路 (IC) 出现接地反弹的情况。接地反弹是指系统的寄生电感导致 IC 的接地偏离系统接地。IC 会将 0-V 信号记录为负电压，这可能会导致损坏或错误的逻辑输出。

接地反弹不仅是输入的一个可能问题，而且许多现代电源的高开关速度也会引入负电压瞬变。再看图 1，开关期间与寄生电感 (L SS )成比例的大 di/dt 会产生负电压尖峰 (V n )。这些负瞬变与寄生电感和频率成正比，因此随着开关频率的增加，它们变得更加麻烦。

驱动器输出端的电压瞬变也会引起问题。电源输出负载变化是电压瞬变的最常见原因。如果这些瞬变超过栅极驱动器的最大电压，它们最终可能会损坏器件。瞬变产生的噪声甚至可能导致输出错误，导致驱动器改变其输出而不管控制信号如何，如图 2 所示。

图 2：驱动器对输出噪声的响应

3.现有的解决方案

我们可以做些什么来解决这些瞬变以及其他噪声？首先，花时间确保正确的电路板布局很重要。将驱动器放置在尽可能靠近开关的位置将有助于减少寄生电感。但是，这样做不会使问题消失；它只会使它更易于管理。过去，对可能对驱动器输入或输出造成损坏的瞬变的常见解决方案是添加钳位二极管以将电压保持在特定水平之上或之下。图 3 显示了如何放置这些二极管的示例。

图 3：栅极驱动器输入和输出上的钳位二极管

输入端的二极管将输入信号保持在地电位以上，而输出端的二极管保持低于电源电压 (V DD ) 的电压。虽然有效，但这是一种成本高昂的解决方案，需要为电源添加多达六个额外组件。这些二极管不仅增加了系统的整体价格，而且占用了电路板上的宝贵空间。

4.在电源设计中使用 30V 栅极驱动器

TI 的 UCC27614 和 UCC27624 等较新的栅极驱动器可以处理当今高频电源转换器产生的噪声和瞬态。这些驱动器提供 –10V 负电压处理能力，这意味着它们无需外部组件即可承受由接地反弹或由输入瞬变引起的负电压尖峰带来的负电压偏移。这些驱动器不仅能够处理比许多低侧驱动器更低的电压，它们还具有 30V 的最大 V DD。这是一个重要的规格，因为如果栅极驱动器有足够的裕量，它可以处理其输出上的噪声和瞬变，而无需钳位二极管将输出电压保持在 V DD以下。

图 4 显示了 30-V UCC27624 和 20-VV DD栅极驱动器对输出高频噪声的反应方式的差异。

图 4：驱动器对输出噪声的响应

在这种情况下，20-VV DD驱动器会因噪声而出现逻辑错误，而UCC27624的较高 V DD可在不添加外部组件的情况下消除错误。

5.结论

随着电子产品的发展，电源将继续向越来越高的频率发展，以寻求更高的效率，并且瞬态将随着频率继续增长。在设计电源时，请记住不要在系统中添加额外的组件来进行补偿，而是从具有电压范围、负电压处理和反向电流能力的驱动器开始，以解决系统中的瞬态问题。