CN113839544A - 一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器 - Google Patents

一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电源芯片设计技术领域，具体涉及一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器。本发明通过增加一个对开关节点SW上升或者下降电平信号的检测(上升或者下降取决于采用哪种开关电源拓扑)，提早开启对应的同步功率开关管而获得零死区时间，更重要是因为没有死区时间，也就没有同步功率开关管的体二极管导通所带来的额外压降，所以主动功率开关管所需要承受的最高过压更小，即相同可靠性下进一步提升开关电源驱动电路速度。

Description

一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器
技术领域
本发明属于电源芯片设计技术领域，具体涉及一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器。
背景技术
开关电源因为其高效特征在电源领域被广泛使用。常见非隔离式DC-DC开关电源拓扑有Buck，Boost和Buck-Boost，分别适用于降压，升压和升降压的输入输出不同变比的场合。控制器通过输出误差的反馈放大，产生脉冲宽度调制信号(即PWM信号)控制相应开关管，成对功率开关管依次交替开启和断开，就可实现对输出电压或者输出电流的控制。因为每个功率开关管只会处于开启或断开的状态，不会像线性电源(例如LDO)功率器件长时间处于BJT线性区或者MOSFET饱和区，所以开关电源拓扑具有功耗小效率高的优点。但正因为成对开关的瞬间开启关断，拓扑中会存在电流环路的瞬间切换，即di/dt。另外在快速di/dt电流环路切换时，拓扑布线环路中不可避免的走线寄生电感(芯片bond wire，芯片封装管脚和PCB走线)和输入输出电容的寄生电感ESL会在功率开关管上产生很大电压过冲，影响功率开关管的可靠性。一般应对这一问题的方法是降低电流环路切换速度，即开关开启或断开的驱动速度，但这会损失效率。如何设计进一步提高驱动速度同时保证功率器件可靠性的开关电源驱动器是开关电源领域的一个重要问题。
现有技术对于宽输入应用的降压电源芯片的实现方法有：
1.减小拓扑布线环路中走线寄生电感(芯片bond wire，芯片封装管脚和PCB走线)和输入输出电容的寄生电感ESL的寄生电感大小。一般由于芯片封装的存在，PCB上系统对开关电源布局的限制和片外电容特性，限制了寄生电感最小情况，无法进一步提高。图1，图2和图3分别为Buck，Boost和Buck-Boost开关电源拓扑中的关键电流切换环路上的寄生电感来源，其中对于Buck-Boost可以看作时Buck和Boost的级联。
2.采用动态驱动的方法：例如在轻载情况下，本身电流切换需求的减小，即di较小，可以通过加快开关驱动速度提高轻载时的效率，即减小dt，保证与大电流下相同的di/dt，如图4用Boost拓扑说明；或者在低电压时(对于Buck为低输入电压，对于Boost为低输出电压)，因为功率开关管的耐压选取一般满足应用中的最大电压，所以对于低电压情况，可以适当加快开关驱动速度来提高低压应用下的效率，如图5用Boost拓扑说明。但上述两种方法只是解决部分情况下的效率问题，而在最坏情况，即高压大电流下，动态驱动的方法没有任何帮助，而高压大电流确是芯片效率最低，发热最大，开关器件可靠性最具挑战的时候。所以针对最恶劣情况，问题依然存在，性能没有提升。
3.采用分段式驱动的方法：在连续电流模式CCM下，主动功率开关管在开启和关断过程存在众所周知的米勒平台效应(miller plateau)。分段式驱动是利用对主动功率开关管栅极驱动信号的检测，区分出当前开关所处状态，从而在可靠的前提下采用最快驱动速度。如图6为Boost架构中主动管Q1在关闭过程中所经历米勒平台的示意图，图中t1-t3为米勒平台，其中t1-t2对应开关节点SW的上升，即米勒平台dv/dt阶段，t2-t3对应环路电流的切换，即米勒平台di/dt阶段，即电感电流流向从Q1切换到Q2。分段式驱动主要是用于提升t0-t1和t3-t4的速度，加快开关从完全开启到完全关闭或者从完全关闭到完全开启的整体速度，适用于高频开关电源。但对于米勒平台，即dv/dt和di/dt阶段，依旧无法突破上述应力限制，即图中主动管Q1将承受最大电压约为Vout+Vdio+di/dt*Lp，其中Vout为输出电压，Vdio为死区时间时同步管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流环路切换速率，Lp为切换电流环路的总寄生电容(芯片bond wire，芯片封装管脚，PCB走线和输出电容的寄生电感之和)，同时在米勒平台阶段所产生的交流开关损耗AC crossing loss也未降低，而这一损耗在系统所有损耗中占比很大，特别是高频开关电源。
发明内容
开关电源拓扑布线环路中不可避免的走线寄生电感(芯片bond wire，芯片封装管脚和PCB走线)和输入输出电容的寄生电感ESL，在快速di/dt电流环路切换时，会在功率开关管上产生很大电压过冲，影响功率开关管可靠性。特别在高压大电流下，需要仔细在器件可靠性和驱动速度之间折中(即直接影响在芯片效率和芯片发热)。相比传统驱动设计，本发明通过增加一个对开关节点SW上升或者下降电平信号的检测(上升或者下降取决于采用哪种开关电源拓扑)，提早开启对应的同步功率开关管而获得零死区时间，更重要是因为没有死区时间，也就没有同步功率开关管的体二极管导通所带来的额外压降，所以主动功率开关管所需要承受的最高过压更小，即相同可靠性下进一步提升开关电源驱动电路速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器，包括主动开关管Q1、同步开关管Q2、开关驱动器、PWM产生器、误差放大器，其中误差放大器的反相输入端接输出反馈电压，误差放大器的同相输入端接基准电压，误差放大器的输出端接PWM产生器，PWM产生器的输出端接开关驱动器的输入端，开关驱动器输出主动开关管Q1和同步开关管Q2的开关驱动信号，所述开关驱动器包括死区控制模块和分段式速度控制模块，死区控制模块用于使主动开关管Q1和同步开关管Q2不会同时导通，分段式速度控制模块通过对主动开关管Q1栅极电平和同步开关管Q2栅极电平的检测区分出当前开关所处状态，实现除米勒平台外的其他阶段的驱动能力加速；其特征在于，将主动开关管Q1和同步开关管Q2的连接点定义为开关节点SW，还包括SW检测模块，SW检测模块的输出接死区控制模块的输入；
当所述开关电源驱动器为Buck开关电源时，SW检测器为SW下降沿检测模块，当主动开关管Q1关闭时，开关节点SW从高电平放电至低电平，通过SW下降沿检测模块检测到下降沿信号后，根据检测到的信号在SW下降到谷底之前控制开启同步开关管Q2，使主动开关管Q1所需承受的最大电压从Vin+Vdio+di/dt*Lp降到Vin+di/dt*Lp，其中Vin为输入电压，Vdio为死区时间时同步开关管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为电流切换环路的总寄生电容；
当所述开关电源驱动器为Boost开关电源时，SW检测器为SW上升沿检测模块，当主动开关管Q1关闭时，开关节点SW从低电平充电至高电平，通过SW上升沿检测模块检测到上升沿信号后，根据检测到的信号在SW上升到顶部之前控制开启同步开关管Q2，使主动开关管Q1所需承受的最大电压从Vout+Vdio+di/dt*Lp降到Vout+di/dt*Lp，其中Vout为输出电压，Vdio为死区时间时同步开关管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为环路总寄生电容。
本发明的有益效果为：相比传统方法，本发明通过增加一个对开关节点SW上升或者下降的电平信号检测(上升或者下降取决于采用哪种开关电源拓扑)，提早开启对应的同步功率开关管而获得零死区时间，更重要是因为没有死区时间，也就没有同步功率开关管的体二极管导通所带来的额外压降，所以主动功率开关管所需要承受的最高过压更小，即相同可靠性下进一步提升开关电源驱动电路速度。
附图说明
图1为Buck型开关电源拓扑的关键电流切换环路上的寄生电感来源；
图2为Boost型开关电源拓扑的关键电流切换环路上的寄生电感来源；
图3为Buck-Boost型开关电源拓扑的关键电流切换环路上的寄生电感来源；
图4为开关电源中通过对电流检测实现动态驱动来提高轻载时的效率；
图5为开关电源中通过对电压检测实现动态驱动来提高低电压时的效率；
图6为Boost架构中主动管Q1在关闭过程中所经历米勒平台的波形示意图；
图7为Buck开关电源系统框图和传统带分段式速度控制和死区控制的驱动器示意图；
图8为本发明提出的Buck开关电源系统框图和带开关节点检测的驱动器示意图；
图9为在Buck开关电源架构中传统开关驱动器和本发明的开关驱动器的开关波形对比示意图；
图10为Boost开关电源系统框图和传统带分段式速度控制和死区控制的驱动器示意图；
图11为本发明提出的Boost开关电源系统框图和带开关节点检测的驱动器示意图；
图12为在Boost开关电源架构中传统开关驱动器和本发明的开关驱动器的开关波形对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细描述：
图7是Buck开关电源系统框图和传统带分段式速度控制和死区控制的驱动器示意图。其中驱动器设计中的死区控制Deadtime Control用于确保Q1管和Q2管不会同时导通，分段式速度控制Speed Control通过对Q1栅极电平的检测(即Q1_GT sense)和Q2栅极电平的检测(即Q2_GT sense)区分出当前开关所处状态，实现除米勒平台外的其他阶段的驱动能力加速。图8是本发明在Buck拓扑中提升开关速度的系统框图，和提出的带开关节点检测的驱动器示意图。除上述死区控制和分段式速度控制外，通过增加一个SW下降沿电平检测SW fall detect来提前开启同步管Q2。当主动管Q1关闭时，电感电流的导通路径从Q1切换到Q2，开关节点SW也会从高电平放电至低电平，通过一个接近于地电压的电平检测，即图9中的“+delta”电平，在SW下降到谷底之前提前开启同步管Q2，从而使Buck拓扑中主动管Q1所需承受的最大电压从Vin+Vdio+di/dt*Lp降到Vin+di/dt*Lp，其中Vin为输入电压，Vdio为死区时间时同步管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为电流切换环路的总寄生电容(芯片bond wire，芯片封装管脚，PCB走线和输入电容的寄生电感之和)。这样在采用相同耐压的Q1和Q2功率开关管时，在保证相同可靠性的前提下，本发明提出的开关驱动器可以进一步提升开关速度，即减小米勒平台的持续时间，即有效降低米勒平台阶段所产生的交流开关损耗AC crossing loss，而这一损耗在系统所有损耗中占比非常可观，特别是高频开关电源。
图9给出在Buck开关电源拓扑中详细的开关波形示意图，左图为在主动管关闭阶段的传统开关驱动器的主动管Q1，开关节点SW和同步管Q2的波形示意图，右图为本发明开关驱动器的对应波形示意图。Q1_GT_Vgs为主动管Q1的栅源电压，SW为开关节点电压，Q2_GT_Vgs为同步管Q2的栅源电压。传统开关驱动器在时间上，t0为驱动器关闭主动管的起始时间，t1-t2对应开关节点SW的下降，即米勒平台dv/dt阶段，t2-t3对应环路电流切换，即米勒平台di/dt阶段，电感电流的导通路径从Q1切换到Q2，t1-t3总称为米勒平台，t3-t4为主动管的彻底关闭。而在死区控制触发事件t5时，同步管Q2开启。在此过程中，主动管Q1将承受的最大电压约为Vin+Vdio+di/dt*Lp。而本发明提出的通过增加一个对开关节点SW下降的电平信号检测，提早开启同步管Q2而获得零死区时间，即右图中SW与“+delta”电平比较结果在t2’时刻触发，则即刻开启同步管Q2。因为没有同步管Q2的体二极管导通所带来的额外压降，在此过程中主动管Q1将承受的最大电压约为Vin+di/dt*Lp，从过压角度，主动管Q1比实际工作电压需要承受的过压从Vdio+di/dt*Lp降低为di/dt*Lp，即相比传统驱动器减小Vdio。这样在采用相同耐压的Q1和Q2功率开关管时，在保证相同可靠性的前提下，本发明提出的开关驱动器可以进一步提升开关速度，即减小米勒平台区间的持续时间(即图中t1-t3)，有效降低米勒平台阶段所产生的交流开关损耗AC crossing loss。
图10是Boost开关电源系统框图和传统带分段式速度控制和死区控制的驱动器示意图。
其中驱动器设计中的死区控制Deadtime Control用于确保Q1管和Q2管不会同时导通，分段式速度控制Speed Control通过对Q1栅极电平的检测(即Q1_GT sense)和Q2栅极电平的检测(即Q2_GT sense)区分出当前开关所处状态，实现除米勒平台外的其他阶段的驱动能力加速。图11是本发明在Boost拓扑中提升开关速度的系统框图，和提出的带开关节点检测的驱动器示意图。除上述死区控制和分段式速度控制外，通过增加一个SW上升沿电平检测SW rise detect来提前开启同步管Q2。当主动管Q1关闭时，电感电流的导通路径从Q1切换到Q2，开关节点SW也会从低电平充电至高电平，通过一个接近于Vout电压的电平检测，即图12中的“Vout-delta”电平，在SW上升到顶部之前提前开启同步管Q2，从而使Boost拓扑中主动管Q1所需承受的最大电压从Vout+Vdio+di/dt*Lp降到Vout+di/dt*Lp，其中Vout为输出电压，Vdio为死区时间时同步管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为环路总寄生电容(芯片bond wire，芯片封装管脚，PCB走线和输出电容的寄生电感之和)。这样在采用相同耐压的Q1和Q2功率开关管时，在保证相同可靠性的前提下，本发明提出的开关驱动器可以进一步提升开关速度，即减小米勒平台的持续时间，即有效降低米勒平台阶段所产生的交流开关损耗AC crossing loss，而这一损耗在系统所有损耗中占比非常可观，特别是高频开关电源。
图12给出在Boost开关电源拓扑中详细的开关波形示意图，左图为在主动管关闭阶段的传统开关驱动器的主动管Q1，开关节点SW和同步管Q2的波形示意图，右图为本发明开关驱动器的对应波形示意图。Q1_GT_Vgs为主动管Q1的栅源电压，SW为开关节点电压，Q2_GT_Vgs为同步管Q2的栅源电压。传统开关驱动器在时间上，t0为驱动器关闭主动管的起始时间，t1-t2对应开关节点SW的上升，即米勒平台dv/dt阶段，t2-t3对应环路电流切换，即米勒平台di/dt阶段，电感电流的导通路径从Q1切换到Q2，t1-t3总称为米勒平台，t3-t4为主动管的彻底关闭。而在死区控制触发事件t5时，同步管Q2开启。在此过程中，主动管Q1将承受的最大电压约为Vout+Vdio+di/dt*Lp。而本发明提出的通过增加一个对开关节点SW上升的电平信号检测，提早开启同步管Q2而获得零死区时间，即右图中SW与“Vout-delta”电平比较结果在t2’时刻触发，则即刻开启同步管Q2。因为没有同步管Q2的体二极管导通所带来的额外压降，在此过程中主动管Q1将承受的最大电压约为Vout+di/dt*Lp，从过压角度，主动管Q1比实际工作电压需要承受的过压从Vdio+di/dt*Lp降低为di/dt*Lp，即相比传统驱动器减小Vdio。这样在采用相同耐压的Q1和Q2功率开关管时，在保证相同可靠性的前提下，本发明提出的开关驱动器可以进一步提升开关速度，即减小米勒平台区间的持续时间(即图中t1-t3)，有效降低米勒平台阶段所产生的交流开关损耗AC crossing loss。
本发明的开关节点SW检测用于提前开启同步管而获得零死区时间：通过增加一个对开关节点SW上升或者下降的电平信号检测(上升或者下降取决于采用哪种开关电源拓扑)，提早开启对应的同步功率管，因为没有死区时间，即没有体二极管导通所带来的额外压降，所以主功率管所需要承受的最高过压更小，进一步提升开关电源驱动电路速度。
本发明适用于任何开关电源架构中的驱动器设计，这里以Buck型开关电源拓扑和Boost型开关电源拓扑为例，给出具体解决方案并解释原理，而Buck-Boost型开关电源拓扑可以看作是Buck和Boost的级联，即可以通过分别加入两套类似驱动器加速电路实现四管驱动增强，图3中Q1和Q2分别与图1中Buck开关电源的Q1和Q2相同处理；图3中Q3和Q4分别与图2中Boost开关电源的Q1和Q2相同处理。

Claims (1)

1.一种提高驱动速度和降低开关应力的开关电源驱动器，包括主动开关管Q1、同步开关管Q2、开关驱动器、PWM产生器、误差放大器，其中误差放大器的反相输入端接输出反馈电压，误差放大器的同相输入端接基准电压，误差放大器的输出端接PWM产生器，PWM产生器的输出端接开关驱动器的输入端，开关驱动器输出主动开关管Q1和同步开关管Q2的开关驱动信号，所述开关驱动器包括死区控制模块和分段式速度控制模块，死区控制模块用于使主动开关管Q1和同步开关管Q2不会同时导通，分段式速度控制模块通过对主动开关管Q1栅极电平和同步开关管Q2栅极电平的检测区分出当前开关所处状态，实现除米勒平台外的其他阶段的驱动能力加速；其特征在于，将主动开关管Q1和同步开关管Q2的连接点定义为开关节点SW，还包括SW检测模块，SW检测模块的输出接死区控制模块的输入；
当所述开关电源驱动器为Buck开关电源时，SW检测器为SW下降沿检测模块，当主动开关管Q1关闭时，开关节点SW从高电平放电至低电平，通过SW下降沿检测模块检测到下降沿信号后，根据检测到的信号在SW下降到谷底之前控制开启同步开关管Q2，使主动开关管Q1所需承受的最大电压从Vin+Vdio+di/dt*Lp降到Vin+di/dt*Lp，其中Vin为输入电压，Vdio为死区时间时同步开关管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为电流切换环路的总寄生电容；
当所述开关电源驱动器为Boost开关电源时，SW检测器为SW上升沿检测模块，当主动开关管Q1关闭时，开关节点SW从低电平充电至高电平，通过SW上升沿检测模块检测到上升沿信号后，根据检测到的信号在SW上升到顶部之前控制开启同步开关管Q2，使主动开关管Q1所需承受的最大电压从Vout+Vdio+di/dt*Lp降到Vout+di/dt*Lp，其中Vout为输出电压，Vdio为死区时间时同步开关管Q2的体二极管续流电感电流所产生的压降，di/dt为电流切换速率，Lp为环路总寄生电容。
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