二極管導(dǎo)通時(shí)間引起的開關(guān)穩(wěn)壓器故障

大多數(shù)電路設(shè)計(jì)人員都熟悉二極管動(dòng)態(tài) 電荷存儲(chǔ)、電壓相關(guān)等特性 電容和反向恢復(fù)時(shí)間。不太常見 確認(rèn)和制造商指定是二極管正向 開啟時(shí)間。此參數(shù)描述時(shí)間 二極管導(dǎo)通并箝位在其前向時(shí)需要 電壓降。從歷史上看，這個(gè)極短的時(shí)間，單位 納秒，已經(jīng)如此之小，以至于用戶和供應(yīng)商 同樣基本上都忽略了它。它很少被討論和 幾乎從不指定。最近，開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘 速率和轉(zhuǎn)換時(shí)間變得更快，使二極管 開啟時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵問題。增加的時(shí)鐘速率是 要求實(shí)現(xiàn)更小的磁性元件尺寸;減少 過渡時(shí)間在一定程度上有助于整體效率，但 主要需要最小化IC熱上升。以時(shí)鐘速度 超過約1MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間損耗是主要因素 模具加熱源。

由于二極管導(dǎo)通時(shí)間而可能遇到的困難是 由此產(chǎn)生的瞬態(tài)“過沖”電壓在 二極管，即使限制在納秒內(nèi)，也可以感應(yīng) 過壓應(yīng)力，導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器IC故障。 因此，需要仔細(xì)測(cè)試才能鑒定給定的二極管 用于特定應(yīng)用，以確?？煽啃?。這個(gè)測(cè)試， 假設(shè)周圍組件的損耗低，并且 最終應(yīng)用中的布局，測(cè)量導(dǎo)通過沖 僅由二極管寄生效應(yīng)引起的電壓。關(guān)聯(lián)不當(dāng) 組件選擇和布局將額外貢獻(xiàn) 過度強(qiáng)調(diào)術(shù)語。

二極管導(dǎo)通時(shí)間視角

圖1顯示了典型的升壓和降壓電壓 變換 器。在這兩種情況下，假設(shè)二極管 箝位開關(guān)引腳電壓偏移至安全限值。在 升壓情況下，此限值由開關(guān)引腳最大值定義 允許的正向電壓。設(shè)置降壓大小寫限制 由開關(guān)引腳確定最大允許反向電壓。

圖1.典型電壓升壓/降壓轉(zhuǎn)換器。假設(shè)二極管箝位開關(guān)引腳電壓偏移到安全限值。

圖2顯示二極管需要一定的時(shí)間長度 箝位在其正向電壓下。此正向?qū)〞r(shí)間允許高于標(biāo)稱二極管的瞬態(tài)偏移 箝位電壓，可能超過IC的擊穿 限制。導(dǎo)通時(shí)間通常以納秒為單位， 使觀察困難。進(jìn)一步的并發(fā)癥 是導(dǎo)通過沖發(fā)生在振幅處 脈沖波形的極端值，排除了高分辨率 振幅測(cè)量。必須考慮這些因素 設(shè)計(jì)二極管導(dǎo)通測(cè)試方法時(shí)。

圖2.二極管正向?qū)〞r(shí)間允許瞬態(tài)偏移高于標(biāo)稱二極管箝位電壓，可能超過IC擊穿限值。

圖3顯示了測(cè)試二極管的概念方法 開啟時(shí)間。在這里，測(cè)試是在1A下進(jìn)行的，盡管 可以使用其他電流。脈沖步進(jìn) 1A 進(jìn)入 通過5Ω電阻測(cè)試的二極管。導(dǎo)通時(shí)間電壓 偏移直接在被測(cè)二極管上測(cè)量。這 菲古雷在外觀上看似簡單。特別是， 當(dāng)前步驟必須具有異?？焖?、高保真度 轉(zhuǎn)換和忠實(shí)的開啟時(shí)間確定需要 巨大的測(cè)量帶寬。

圖3.概念方法在1A時(shí)測(cè)試二極管導(dǎo)通時(shí)間，輸入步進(jìn)必須具有異常快速、高保真轉(zhuǎn)換。

詳細(xì)測(cè)量方案

更詳細(xì)的測(cè)量方案如圖4所示。 各種元素的必要性能參數(shù) 被叫出來。亞納秒上升時(shí)間脈沖發(fā)生器， 1A、2ns 上升時(shí)間放大器和 1GHz 示波器是 必填。這些規(guī)格代表了實(shí)際操作 條件;可選擇其他電流和上升時(shí)間 通過更改適當(dāng)?shù)膮?shù)。

圖4.詳細(xì)的測(cè)量方案指示了各種元件的必要性能參數(shù)。需要亞納秒級(jí)上升時(shí)間脈沖發(fā)生器、1A、2ns 上升時(shí)間放大器和 1GHz 示波器。

脈沖放大器需要特別注意電路 配置和布局。圖5所示為放大器 包括一個(gè)并聯(lián)的達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)射頻晶體管 輸出級(jí)。集電極電壓調(diào)整（“上升時(shí)間 修剪“）峰值 Q4 至 Q6 FT;輸入 RC 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 通過略微延遲輸入脈沖上升來降低輸出脈沖純度 在放大器通帶內(nèi)的時(shí)間。并聯(lián)允許 Q4 Q6 在有利的單個(gè)電流下工作，保持 帶寬。當(dāng)（輕度交互）邊緣純度 和上升時(shí)間調(diào)整得到優(yōu)化，圖6顯示 放大器產(chǎn)生異常干凈的2ns上升時(shí)間 輸出脈沖無振鈴、外來分量或轉(zhuǎn)換后 游覽。這樣的性能使二極管 開啟時(shí)間測(cè)試實(shí)用。

圖5.脈沖放大器包括并聯(lián)達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)的RF晶體管輸出級(jí)。集電極電壓調(diào)整（“上升時(shí)間調(diào)整”）峰值 Q4 至 Q6 FT，輸入RC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化輸出脈沖純度。低電感布局是強(qiáng)制性的。

圖6.脈沖放大器輸出至5Ω。上升時(shí)間為2ns，脈沖頂部像差最小。

圖7顯示了完整的二極管正向?qū)〞r(shí)間 測(cè)量安排。脈沖放大器，驅(qū)動(dòng) 通過亞納秒脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)二極管 測(cè)試中。Z0探頭監(jiān)測(cè)測(cè)量點(diǎn) 并饋送 1GHz 示波器。2,3,4

圖7.完整的二極管正向?qū)〞r(shí)間測(cè)量配置包括亞納秒上升時(shí)間脈沖發(fā)生器、脈沖放大器、Z0 探頭和 1GHz 示波器。

二極管測(cè)試和解釋結(jié)果

測(cè)量測(cè)試設(shè)備，設(shè)備齊全，并且 構(gòu)造，允許二極管導(dǎo)通時(shí)間測(cè)試，具有出色的性能 時(shí)間和振幅分辨率。5圖 8 到 12 顯示來自不同制造商的五個(gè)不同二極管的結(jié)果。 圖8（二極管編號(hào)1）過沖穩(wěn)定 狀態(tài)正向電壓為3.6ns，峰值為200mV。這是 五中最好的表現(xiàn)。圖 9 到 12 顯示增加的導(dǎo)通幅度和時(shí)間 詳見標(biāo)題。在最壞的情況下，打開 幅度超過標(biāo)稱箝位電壓超過標(biāo)稱箝位電壓 1V，而導(dǎo)通時(shí)間延長數(shù)十納秒。 圖 12 以巨大的 時(shí)間和幅度誤差。這種錯(cuò)誤的短途旅行可以和 會(huì)導(dǎo)致IC穩(wěn)壓器擊穿和故障。教訓(xùn) 這里很清楚。二極管導(dǎo)通時(shí)間必須表征和 在任何給定的應(yīng)用中進(jìn)行測(cè)量，以確?？煽啃?。

圖8.“二極管1號(hào)”過沖穩(wěn)態(tài)正向電壓≈3.6ns，峰值為200mV。

圖9.“2 號(hào)二極管”在 750ns 內(nèi)建立之前峰值為 ≈6mV...> 2x 穩(wěn)態(tài)正向電壓。

圖 10.“二極管3號(hào)”峰值比標(biāo)稱1mV VFWD高400V，誤差為2.5倍。

圖 11.“二極管編號(hào) 4”峰值為 ≈750mV，具有較長的（注意水平 2.5 倍刻度變化）尾隨 VFWD 值。

圖 12.“二極管編號(hào) 5”峰值偏離標(biāo)度，拖尾延長（請(qǐng)注意，與圖 8 至 10 相比，水平尺度較慢）。

審核編輯：郭婷