做開關(guān)電源調(diào)試這幾年MOS管關(guān)斷尖峰算是跟工程師打交道最多的一個(gè)老朋友了。明明計(jì)算書里寫的電壓應(yīng)力還在耐壓范圍之內(nèi)示波器一掛上去漏極波形直接給你甩出一個(gè)比母線電壓高出一大截的尖刺運(yùn)氣好是嘯叫運(yùn)氣不好直接炸管。這篇文章我把自己實(shí)際調(diào)過的幾種方案——RC吸收、RCD鉗位、TVS瞬態(tài)抑制、柵極驅(qū)動(dòng)整形、軟開關(guān)連同實(shí)測數(shù)據(jù)一起放出來給同樣被尖峰電壓折磨的人一個(gè)可以直接抄作業(yè)的參考。1. 尖峰從哪來先理解寄生參數(shù)再談抑制1.1 關(guān)斷瞬態(tài)到底發(fā)生了什么先看一個(gè)最基本的半橋或單管Buck電路。MOS管導(dǎo)通時(shí)電流從輸入源經(jīng)電感和開關(guān)管流到負(fù)載關(guān)斷瞬間MOS在幾百納秒甚至幾十納秒內(nèi)從低阻狀態(tài)變成高阻狀態(tài)回路里的電流必須在這個(gè)時(shí)間內(nèi)降到零。問題在于這個(gè)電流路徑上不只有理想導(dǎo)線——PCB走線有寄生電感、引腳有引線電感、電解電容有等效串聯(lián)電感ESL這些電感在電流突變時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢V_L L × di/dt舉個(gè)例子回路寄生電感哪怕只有20nH電流在50ns內(nèi)從5A掉到0di/dt就是100A/μs感應(yīng)出來的電壓就是20nH × 100A/μs 2V不對這里有個(gè)單位換算問題。20nH × 100A/μs 20×10?? × 100×10? 2V再算一下100A/μs 10? A/s20nH 2×10?? H相乘等于2V。這個(gè)數(shù)看起來不大但實(shí)際寄生電感遠(yuǎn)不止20nH。普通直插電解電容的ESL就有10~30nH加上PCB走線、MOS管封裝引線整個(gè)功率回路的寄生電感輕松到50~100nH。同樣是5A/50ns的電流變化率100nH產(chǎn)生的尖峰就是10V疊加在母線電壓上30V輸入直接冒出40V以上的尖刺這還沒算振鈴。1.2 寄生電感藏在哪很多人一看到尖峰就急著換更高速的MOS管或者加大吸收電路其實(shí)第一步應(yīng)該先把寄生電感找出來。常見的藏匿位置有這幾個(gè)輸入電解電容到MOS管漏極之間的走線。這是最容易被忽略的一段很多人布局時(shí)把電容放得離MOS很遠(yuǎn)覺得反正都是地平面但功率路徑上的每一毫米走線都是電感。MOS管的封裝引線。DPAK、D2PAK、TO-220這些封裝本身就有幾nH到十幾nH的引線電感頻率越高越明顯。輸入電容本身的ESL。普通的鋁電解電容ESL明顯偏高如果要求高di/dt必須在旁邊并聯(lián)陶瓷電容100nF~1μF級別把高頻路徑縮短。地回路的過孔和跳線。功率地如果繞了彎或者打了太多過孔一樣是寄生電感來源。1.3 實(shí)測不加抑制時(shí)尖峰能到多少我在一塊24V輸入的Buck板上做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)負(fù)載電流6A開關(guān)頻率100kHzMOS管用的是60V/30A的N-MOS。測試條件是探頭用10×衰減地線用接地彈簧不是長的地線夾直接從漏極到源極測量。不加任何抑制時(shí)的波形關(guān)斷瞬間尖峰沖到76V而母線電壓只有24V尖峰是母線的3倍還多同時(shí)伴隨明顯的振鈴頻率大概在35MHz左右。這個(gè)案例說明了為什么要重視尖峰——如果用的是40V的管子這種情況一次關(guān)斷就可能擊穿。2. RC吸收網(wǎng)絡(luò)最便宜但別指望它扛大電流2.1 RC吸收的工作原理與適用范圍RC吸收電路就是直接在MOS管的漏源極之間并聯(lián)一個(gè)串聯(lián)的電阻和電容。原理很簡單把寄生電感和MOS管輸出電容形成的LC諧振回路用電阻來消耗掉諧振能量降低回路的Q值從而減小振鈴幅度和尖峰高度。RC吸收的優(yōu)點(diǎn)是便宜、元件少、實(shí)現(xiàn)簡單適用于小功率、低電流的場合比如輔助電源、小功率反激的漏感尖峰抑制。它的缺點(diǎn)是電阻一直在消耗能量——每次開關(guān)都要充放電一次開關(guān)頻率越高、電容越大損耗越可觀。所以RC吸收不建議在大電流、高頻連續(xù)開關(guān)的場合用否則尖峰壓下去了效率也掉下去了還可能把電阻燒了。2.2 參數(shù)計(jì)算用振鈴頻率反推寄生電感RC吸收的參數(shù)不能拍腦袋要先知道寄生電感是多少。最實(shí)用的方法是用示波器測振鈴頻率不加任何吸收掛探頭在DS兩端測出關(guān)斷振鈴頻率f_R。假設(shè)振鈴主要是寄生電感L和MOS管輸出電容C_oss形成的那么L 1 / (4π2 × f_R2 × C_oss)C_oss可以從MOS管數(shù)據(jù)手冊里查到一般是幾百pF到幾nF。用上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f_R 35MHzC_oss查手冊約440pF算出來L 1 / (4π2 × (35×10?)2 × 440×10?12) ≈ 47nH這個(gè)量級是合理的和之前估的50~100nH一致。然后選吸收電容C經(jīng)驗(yàn)上取C_oss的5~20倍我習(xí)慣從2.2nF起調(diào)。吸收電阻R取和特征阻抗同量級R √(L/C) √(47nH / 2.2nF) ≈ 4.6Ω實(shí)際取4.7Ω但最終用電阻從3.3Ω到10Ω都試了一圈取的是抑制效果和損耗的折中。2.3 實(shí)測效果與使用注意加上2.2nF 4.7Ω的RC吸收后尖峰從76V降到了52V振鈴幅度減半。當(dāng)然代價(jià)是RC支路本身的損耗100kHz下實(shí)測溫升比不加吸收高出大概5℃左右。這里有一個(gè)必須注意的坑RC吸收的電容必須用C0G/NPO或者薄膜電容不能用X7R、X5R這類高介電常數(shù)陶瓷電容因?yàn)樗鼈兊娜葜禃?huì)隨直流偏置電壓明顯下降實(shí)際吸收效果遠(yuǎn)不如計(jì)算值。電阻也要用無感電阻普通繞線電阻的寄生電感會(huì)讓吸收效果打折扣。另外RC吸收要盡量靠近MOS管引腳焊接縮短引線長度否則吸收回路本身的寄生電感會(huì)讓效果大打折扣。3. RCD鉗位電路能量管理要算清楚3.1 RCD的鉗位邏輯把能量導(dǎo)向電容再耗散RCD鉗位電路和RC吸收最大的區(qū)別在于它是有方向性的。典型接法是鉗位二極管陽極接MOS管漏極針對反激拓?fù)涫墙娱_關(guān)節(jié)點(diǎn)陰極接鉗位電容電容再通過電阻接到母線電壓。關(guān)斷瞬間漏極電壓超過母線電壓加上電容電壓時(shí)二極管導(dǎo)通電流給電容充電把尖峰能量導(dǎo)入電容電壓被鉗在設(shè)定值附近開關(guān)導(dǎo)通時(shí)二極管反偏截止電容上多余的能量通過電阻釋放。這個(gè)方案比RC吸收更適合中等功率的場合比如反激電源的漏感尖峰、Buck電路的關(guān)斷尖峰它能把尖峰控制在比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)且損耗比純RC吸收可控。3.2 R和C的參數(shù)怎么定RCD設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定鉗位電壓和電容電阻的值。鉗位電壓不能設(shè)得太低太低會(huì)導(dǎo)致鉗位電路在正常工作時(shí)就持續(xù)導(dǎo)通損耗劇增也不能太高太高就起不到保護(hù)MOS管的作用。經(jīng)驗(yàn)上取鉗位電壓V_clamp ≈ 1.3~1.5倍的最大輸入電壓或反射電壓漏感尖峰的目標(biāo)值但要留出至少20%的降額到MOS管耐壓。比如在這個(gè)24V輸入的Buck實(shí)驗(yàn)中母線24V目標(biāo)鉗位電壓35VMOS管耐壓60V降額充足。電容值的近似估算假設(shè)寄生電感里的能量全部轉(zhuǎn)入鉗位電容能量守恒0.5 × L × I2 0.5 × C × (V_clamp2 - V_in2)代入L 47nHI 6AV_clamp 35VV_in 24V0.5 × 47×10?? × 36 0.5 × C × (1225 - 576)C 846×10?? / 649 ≈ 1.3nF取標(biāo)準(zhǔn)值1nF實(shí)測效果不錯(cuò)。電阻R的作用是讓電容在下一個(gè)周期前把能量放掉取值不能太小否則電容上電壓保持不住鉗位變吸收也不能太大否則能量來不及放電容電壓逐周期累積會(huì)過高。一般按R 1 / (2~5 × f_sw × C)估算100kHz下1nF對應(yīng)R在2kΩ~5kΩ實(shí)際我用了47kΩ也正常因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)我優(yōu)先保證鉗位電壓穩(wěn)定——只要電容電壓不逐周攀升R稍大一點(diǎn)反而是低損耗的選擇。這里必須要說明具體R值需要按實(shí)際波形調(diào)整不要死套公式。3.3 實(shí)測效果與二極管選型要點(diǎn)接上RCD后尖峰從76V降到38V波形干凈了很多幾乎看不到振鈴。鉗位電容上的電壓實(shí)測穩(wěn)定在35V左右和設(shè)計(jì)值基本一致。RCD的二極管選型很關(guān)鍵。很多人隨手拿一個(gè)1N4007就上結(jié)果尖峰沒壓下去二極管倒是先冒煙了。原因很簡單1N4007是工頻整流管反向恢復(fù)時(shí)間在微秒級開關(guān)電源的關(guān)斷瞬間在納秒級根本反應(yīng)不過來。必須用快恢復(fù)二極管比如UF4007、FR107或者肖特基二極管比如SS34反向恢復(fù)時(shí)間在幾十納秒以內(nèi)。這里有個(gè)容易被忽視的細(xì)節(jié)某些快恢復(fù)管在反向恢復(fù)期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電流尖峰這個(gè)電流反而會(huì)加劇di/dt所以選型時(shí)要看反向恢復(fù)電荷Qrr而不是只看反向恢復(fù)時(shí)間trr。有條件的話用碳化硅二極管更好反向恢復(fù)幾乎為零但價(jià)格也高用在常規(guī)消費(fèi)級電源上不劃算。4. TVS瞬態(tài)抑制二極管以硬鉗換省心4.1 TVS的鉗位特性與選型公式TVS瞬態(tài)抑制二極管是另一種思路它不像RC或RCD那樣靠耗散或轉(zhuǎn)移能量來削平尖峰而是利用雪崩擊穿效應(yīng)把電壓死死鉗在一個(gè)固定值附近。它的響應(yīng)速度是皮秒級的比任何由分立RC組成的吸收電路都快因此特別適合吸收那些極窄的過壓脈沖。選型時(shí)關(guān)注幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)反向截止電壓V_RWM要大于電路正常工作時(shí)的最高電壓否則TVS會(huì)一直導(dǎo)通。擊穿電壓V_BR略高于V_RWM。最大鉗位電壓V_C要低于MOS管的耐壓并留出足夠降額。峰值脈沖功率P_PPM決定了它能吸收多少能量。如果是持續(xù)反復(fù)的尖峰要按平均功率核算不能只看瞬時(shí)功率。以這個(gè)實(shí)驗(yàn)電路為例母線24V目標(biāo)把尖峰鉗到40V以下MOS管耐壓60V留出足夠的降額。選單向TVSV_RWM選28V略高于24V加上紋波V_C實(shí)測在40V左右型號上類似SMBJ28A或SMBJ30A。如果用的是反激電路還要考慮反射電壓TVS的V_RWM必須高于反射電壓峰值。4.2 實(shí)測效果與壽命顧慮換上TVS后尖峰被鉗在44V左右波形非常平整可以說是一刀切。和RCD相比TVS幾乎不需要計(jì)算選好型號焊上去就行這是它最大的優(yōu)勢。但TVS有一個(gè)必須正視的問題它吸收的每一次尖峰本質(zhì)上都是在消耗它的壽命。TVS雖然標(biāo)稱能承受瞬態(tài)大功率但那是針對偶發(fā)的浪涌脈沖如果電路每次開關(guān)都產(chǎn)生一個(gè)幾安培的尖峰電流灌進(jìn)TVS它內(nèi)部的結(jié)溫會(huì)不斷積累最終失效——短路或者開路都是災(zāi)難。所以TVS建議用在尖峰偶發(fā)的場合比如雷擊浪涌、感性負(fù)載斷開瞬間如果是每個(gè)開關(guān)周期都出現(xiàn)的持續(xù)尖峰TVS只能作為最后一道保護(hù)主力抑制還是要靠RCD或RC。4.3 組合使用是常態(tài)實(shí)踐中我更喜歡RC或RCD加TVS的組合主吸收電路把大部分尖峰能量處理掉TVS負(fù)責(zé)兜底萬一主吸收參數(shù)沒調(diào)好或者遇到極端工況TVS能把峰值硬壓住保護(hù)MOS管不擊穿。這個(gè)思路在量產(chǎn)電源里很常見成本增加不多可靠性提升明顯。5. 柵極驅(qū)動(dòng)整形讓關(guān)斷慢一點(diǎn)點(diǎn)量變引起質(zhì)變5.1 為什么調(diào)關(guān)斷電阻會(huì)有效前面幾種方案都是在漏源極之間或者電源回路上做文章柵極驅(qū)動(dòng)整形則是從源頭控制di/dt。MOS管關(guān)斷速度取決于柵極電荷的抽取速度也就是關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電阻Rg_off的大小。Rg_off越大柵極電壓下降越慢米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間越長漏極電流下降的斜率越小di/dt自然就下來了感應(yīng)尖峰電壓也隨之降低。這個(gè)方案成本為零只需要改一個(gè)電阻經(jīng)常是我調(diào)試時(shí)的第一步試探。但它不是萬能的——電流下降時(shí)間變長意味著關(guān)斷損耗增加如果開關(guān)頻率高管子會(huì)明顯發(fā)熱。更關(guān)鍵的是如果MOS管在電流下降過程中沒有完全退出飽和區(qū)它會(huì)短暫工作在放大區(qū)這時(shí)候的功耗是V × I的乘積瞬間功耗可能很大超出了SOA安全工作區(qū)的范圍會(huì)直接炸管。所以加大關(guān)斷電阻要謹(jǐn)慎邊調(diào)邊摸溫度邊看波形。5.2 獨(dú)立關(guān)斷電阻的電路實(shí)現(xiàn)推薦的做法不是簡單地加大柵極串聯(lián)電阻而是把開通和關(guān)斷路徑分開柵極電阻Rg_on保持較小值保證開通速度不影響開通損耗在Rg_on上并聯(lián)一個(gè)二極管D和電阻Rg_off的串聯(lián)支路二極管方向?yàn)殛P(guān)斷時(shí)導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí)柵極電荷通過二極管和Rg_off泄放開通時(shí)二極管反偏電流走Rg_on。這樣做到開快關(guān)慢互不干擾。驅(qū)動(dòng)芯片如果有分離的源極和漏極輸出引腳也可以直接用兩個(gè)電阻分別接SOURCE和SINK引腳這是最干凈的方案。我實(shí)測用獨(dú)立關(guān)斷電阻把Rg_off從2.2Ω加大到10Ω尖峰從76V降到57V效果立竿見影。5.3 損耗代價(jià)實(shí)測動(dòng)?xùn)艠O電阻不會(huì)憑空消掉能量只是把電壓尖峰轉(zhuǎn)換成了關(guān)斷過程的功率損耗。還是那個(gè)24V/6A的板子頻率100kHzRg_off從2.2Ω加到10Ω后管子表面溫度從68℃上升到85℃溫升差了17℃對應(yīng)的效率大概掉了1.5個(gè)百分點(diǎn)。如果是便攜設(shè)備或者對溫升敏感的產(chǎn)品這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)大了。所以柵極整形適合作為輔助手段和RC或者RCD搭配使用而不是單獨(dú)扛大梁——先用柵極電阻把尖峰減到安全范圍再用吸收電路把剩余的振鈴處理干凈這樣各方面代價(jià)都比較均衡。6. 軟開關(guān)技術(shù)治本之路適合真正的高頻大功率6.1 從控制尖峰到消滅尖峰以上四種方案本質(zhì)都是在承受尖峰——把尖峰的能量引到別處耗散或者延緩它的產(chǎn)生速度但開關(guān)瞬間的di/dt還是存在只是不再表現(xiàn)為過高的電壓尖峰。如果要追求極致的效率和高頻化就得走軟開關(guān)路線讓MOS管在零電壓ZVS或零電流ZCS條件下開通或關(guān)斷。電壓為零時(shí)關(guān)斷電流變化率再大也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)尖峰電流為零時(shí)關(guān)斷di/dt本來就是零。常見的軟開關(guān)拓?fù)浒?zhǔn)諧振反激QR、有源鉗位正激/反激、LLC半橋/全橋它們在需要高頻開關(guān)的服務(wù)器電源、充電樁模塊、車載電源里是主流方案。6.2 準(zhǔn)諧振與ZVS的工程視角以準(zhǔn)諧振反激為例它的思想是讓MOS管漏極電壓在關(guān)斷后自然諧振到最低點(diǎn)谷底再開通實(shí)現(xiàn)谷底開通降低開通損耗關(guān)斷時(shí)因?yàn)槁└须娏鞅汇Q位二極管引導(dǎo)電壓尖峰也被大幅壓低。我用過一個(gè)準(zhǔn)諧振反激的demo板做對比測試原邊MOS管的關(guān)斷尖峰能做到母線電壓的1.1倍左右也就是尖峰33V上下同樣的24V母線而硬開關(guān)時(shí)是76V。當(dāng)然軟開關(guān)不是沒有代價(jià)控制復(fù)雜、環(huán)路調(diào)試難度大、PCB布局要求高、磁性元件設(shè)計(jì)也更講究。如果只是做一個(gè)簡單的非隔離Buck上軟開關(guān)屬于殺雞用牛刀。6.3 什么場合才值得上軟開關(guān)我的經(jīng)驗(yàn)是這樣的功率在100W以下、頻率在100kHz左右的常規(guī)電源RC加RCD完全夠用沒必要上軟開關(guān)500W以上、追求效率比如要求94%以上或者開關(guān)頻率要拉到200kHz以上的場合硬開關(guān)的損耗和尖峰已經(jīng)不可接受了這時(shí)候才值得考慮軟開關(guān)拓?fù)?。選拓?fù)涞臅r(shí)候要做整機(jī)層面的核算不能只盯著尖峰電壓一個(gè)指標(biāo)。7. 實(shí)測數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ扰c選型決策7.1 同一平臺(tái)下的五組實(shí)測數(shù)據(jù)為了讓數(shù)據(jù)有可比性所有測試都在同一塊24V輸入、6A負(fù)載、100kHz的Buck板上完成MOS管60V/30A用同樣的探頭和測試點(diǎn)。數(shù)據(jù)如下方案關(guān)鍵參數(shù)關(guān)斷尖峰波形情況滿載管溫不加抑制—76V振鈴劇烈68℃RC吸收2.2nF 4.7Ω52V振鈴減弱72℃RCD鉗位1nF, 二極管FR10738V基本無振鈴71℃TVSSMBJ28A44V波形平整70℃增大關(guān)斷電阻Rg_off 2.2→10Ω57V邊沿變緩85℃準(zhǔn)諧振軟開關(guān)谷底開通33V平滑63℃注管溫為連續(xù)滿載30分鐘后的表面溫度環(huán)境溫度25℃。從數(shù)據(jù)里能看出幾個(gè)信息RCD的絕對尖峰最低TVS的波形最平整但尖峰高于RCD因?yàn)門VS的鉗位電壓本身選了40V附近柵極電阻的溫升代價(jià)最大軟開關(guān)在尖峰和損耗兩個(gè)維度都最優(yōu)但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最高。7.2 選型決策先定邊界再選方案如果你看到這里準(zhǔn)備動(dòng)手我的建議是先按這個(gè)順序做決策先確認(rèn)是不是測量假象探頭地用長地線夾測出來的尖峰可能比真實(shí)值高二三十伏先換接地彈簧再測一遍。帶寬不夠的探頭會(huì)把窄尖峰平均掉也可能讓你低估風(fēng)險(xiǎn)至少用100MHz帶寬的探頭。如果是偶發(fā)性的浪涌過壓優(yōu)先考慮TVS簡單有效。如果是每個(gè)開關(guān)周期都有的持續(xù)尖峰先調(diào)柵極驅(qū)動(dòng)電阻把尖峰降到可控范圍再看損耗能不能接受。損耗敏感就上RCD把鉗位電壓設(shè)到1.3~1.5倍母線電壓兼顧尖峰和損耗。RC吸收只建議在小功率或輔助電源上用大電流場合的損耗會(huì)讓你懷疑人生。最后如果效率、溫升、體積要求都很苛刻直接考慮軟開關(guān)拓?fù)洳灰谟查_關(guān)的思路上死磕。7.3 示波器測量本身就是要害我要單獨(dú)強(qiáng)調(diào)一下測量方法因?yàn)樵诤芏嗫蛻衄F(xiàn)場看到過假尖峰問題。測MOS管DS電壓時(shí)探頭地線如果用那種十幾厘米長的鱷魚夾線地線本身的寄生電感和探頭電容會(huì)形成一個(gè)諧振回路測出來的尖峰可能是真實(shí)值的兩倍以上。正確做法是用探頭自帶的接地彈簧把探頭尖端和接地彈簧直接跨在MOS管的源極和漏極引腳根部盡量縮小測量環(huán)路的面積。另外探頭的帶寬要夠至少是振鈴頻率的3~5倍否則幅度會(huì)失真。我個(gè)人做了這么多年開關(guān)電源調(diào)試最大的體會(huì)是尖峰問題不能只看一個(gè)維度——電壓低了往往意味著損耗高了波形平了可能只是示波器騙了你。每一次調(diào)整都要同時(shí)記錄波形和溫度兩者一起權(quán)衡才能找到真正適合自己產(chǎn)品的那個(gè)平衡點(diǎn)。上面這幾種方案單獨(dú)用各有短板組合起來用才是量產(chǎn)級的可靠做法柵極電阻整形打底RCD主力吸收TVS做最后防線這套組合在我經(jīng)手的幾個(gè)電源項(xiàng)目里一直很穩(wěn)你可以直接拿去試。