減少擊穿現(xiàn)象 - 電源模塊設(shè)計分析與方略

　　采用設(shè)有“固定死區(qū)時間”的控制器芯片是其中一個可行的辦法。這種控制器芯片可以確保上層 MOSFET 關(guān)閉之后會出現(xiàn)一段延遲時間，才讓下層 MOSFET 重新啟動。這個方法較為簡單，但真正實行時則要很小心。若死區(qū)時間太短，可能無法阻止擊穿現(xiàn)象的出現(xiàn)。若死區(qū)時間太長，電導(dǎo)損耗便會增加，因為底層場效應(yīng)晶體管內(nèi)置的二極管在整段死區(qū)時間內(nèi)一直在啟動。由于這個二極管會在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)電，因此采用這個方法的系統(tǒng)效率便取決于底層 MOSFET 的內(nèi)置二極管的特性。

　　另一個減少擊穿的方法是采用設(shè)有“自適應(yīng)死區(qū)時間”的控制器芯片。這個方法的優(yōu)點是可以不斷監(jiān)測上層 MOSFET 的門極/源極電壓，以便確定何時才啟動底層 MOSFET。

　　高端 MOSFET 啟動時，會通過電感感應(yīng)令低端 MOSFET 的門極出現(xiàn) dv/dt 尖峰，以致推高門極電壓 (圖4)。若門極/源極電壓高至足以將之啟動，擊穿現(xiàn)象便會出現(xiàn)。

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　　圖4，出現(xiàn)在低端MOSFET的dv/dt感生電平振幅

　　自適應(yīng)死區(qū)時間控制器負(fù)責(zé)在外面監(jiān)測 MOSFET 的門極電壓。因此，任何新加的外置門極電阻會分去控制器內(nèi)置下拉電阻的部分電壓，以致門極電壓實際上會比控制器監(jiān)控的電壓高。

　　預(yù)測性門極驅(qū)動是另一個可行的方案，辦法是利用數(shù)字反饋電路檢測內(nèi)置二極管的導(dǎo)電情況以及調(diào)節(jié)死區(qū)時間延遲，以便將內(nèi)置二極管的導(dǎo)電減至最少，確保系統(tǒng)可以發(fā)揮最高的效率。若采用這個方法，控制器芯片需要添加更多引腳，以致芯片及電源模塊的成本會增加。

　　有一點需要注意，即使采用預(yù)測性門極驅(qū)動，也無法保證場效應(yīng)晶體管不會因為 dv/dt 的電感感應(yīng)而啟動。

　　延遲高端 MOSFET 的啟動也有助減少擊穿情況出現(xiàn)。雖然這個方法可以減少或徹底消除擊穿現(xiàn)象，但缺點是開關(guān)損耗較高，而效率也會下降。我們?nèi)暨x用較好的 MOSFET，也有助縮小出現(xiàn)在底層 MOSFET 門極的 dv/dt 電感電壓振幅。Cgs 與 Cgd 之間的比率越高，在 MOSFET 門極上出現(xiàn)的電感電壓便越低。

　　擊穿的測試情況經(jīng)常被人忽略，例如在負(fù)載瞬態(tài)過程中——尤其是每當(dāng)負(fù)載已解除或突然減少時——控制器會不斷產(chǎn)生窄頻脈沖。目前大部分高電流系統(tǒng)都采用多相位設(shè)計，利用驅(qū)動器芯片驅(qū)動 MOSFET。但采用驅(qū)動器芯片會令擊穿問題更為復(fù)雜，尤其是當(dāng)負(fù)載處于瞬態(tài)過程之中。例如，窄頻驅(qū)動脈沖的干擾，再加上驅(qū)動器出現(xiàn)傳播延遲，都會導(dǎo)致?lián)舸┣闆r的出現(xiàn)。

　　大部分驅(qū)動器芯片生產(chǎn)商都特別規(guī)定控制器的脈沖寬度必須不可低于某一最低的要求，若低于這個最低要求，便不會有脈沖輸入 MOSFET 的門極。

　　此外，生產(chǎn)商也為驅(qū)動器芯片另外加設(shè)可設(shè)定死區(qū)時間 (TRT) 的功能，以增強(qiáng)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換定時的準(zhǔn)確性。辦法是在可設(shè)定死區(qū)時間引腳與接地之間加設(shè)一個可用以設(shè)定死區(qū)時間的電阻，以確定高低端轉(zhuǎn)換過程中的死區(qū)時間。這個死區(qū)時間設(shè)定功能加上傳播延遲可將處于轉(zhuǎn)換過程中的互補(bǔ)性 MOSFET 關(guān)閉，以免同步降壓轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)擊穿情況。

　　可靠性

　　任何模塊都必須在早期階段通過嚴(yán)格的測試，以確保設(shè)計完善可靠，以免在生產(chǎn)過程中的最后階段才出現(xiàn)意想不到的問題。有關(guān)模塊必須可以在客戶的系統(tǒng)之中進(jìn)行測試，以確保所有有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的相關(guān)因素，例如散熱扇故障、散熱扇間歇性停頓等問題都能給予充分的考慮。采用分散式結(jié)構(gòu)的工程師都希望所設(shè)計的系統(tǒng)可以連續(xù)使用很多年而很少或甚至不會出現(xiàn)故障。由于測試數(shù)字顯示電源模塊的 MTBF 高達(dá)幾百萬小時，要達(dá)到這個目標(biāo)并不怎樣困難。

　　但經(jīng)常被人忽略的反而是印刷電路板的可靠性問題。照目前的趨勢看，印刷電路板的面積越縮越小，但需要處理的電流量則越來越大，因此電流密度的增加可能會引致隱蔽式或其他通孔無法執(zhí)行正常功能。

　　印刷電路板有部分隱蔽通孔必須傳送大量電流，對于這些隱蔽通孔來說，其周圍必須有足夠的銅造防護(hù)裝置為其提供保護(hù)，以確保設(shè)計更可靠耐用。這種防護(hù)裝置也可抑制 z 軸的受熱膨脹幅度，若非如此，生產(chǎn)過程中以及產(chǎn)品使用時印刷電路板的環(huán)境溫度一旦有什么變化，隱蔽通孔便會外露。工程師必須參考印刷電路板廠商的專業(yè)意見，徹底復(fù)檢印刷電路板的設(shè)計，而印刷電路板廠商可以根據(jù)他們的生產(chǎn)能力提供有關(guān)印刷電路板設(shè)計可靠性的專業(yè)意見。

　　總結(jié)

　　我們?nèi)粢秒娫茨K組建可靠的電源供應(yīng)系統(tǒng)，便必須解決設(shè)計可靠性的問題。上文集中討論幾個主要問題，其中包括鐵粉磁心的可靠性、磁系統(tǒng)的特性、同步降壓轉(zhuǎn)換器的擊穿現(xiàn)象以及高電流系統(tǒng)印刷電路板的可靠性等問題。