开关电源小课堂（5）—— 开关电源的上管和下管

       在设计开关电源电路的时候，如果功率比较小，也许不少电源芯片里面已经包含了MOS开关管，这种电源芯片一般叫Converter。但是如果功率比较大的时候，MOS管需求尺寸就变大，这样就做不到包进电源芯片里面，这个时候也许就不得不使用外部MOS管，如下图这样，这个时候电源IC就叫Controller。它内部不包含MOS开关管，外部使用Q1,Q2两个NMOS作为上管和下管。前面提过BUCK拓扑存在同步和非同步两种形式，这就是同步形式，之前说的Q2换成二极管就是非同步形式。

       前一篇我们提了电感的取值选型问题，这篇我们来说说Q1,Q2也就是所谓的上管和下管的选型问题。选型的关键就是导通电阻Rdson和寄生电量Qg，而选择他们的关键是计算损耗。(假设开关频率Fs, 占空比D, 输出电流Io，输入电压Vin，Qsw=Qgs-Qg(th)+Qgd，Qgs等参数可以参考电源篇(2)）

      1. 上管Q1

      a.  导通损耗：Pcon=Io^2 * D * Rdson

      b.开关损耗：Psw= (1/2)Vin*Io*Fsw*(Qsw/Igr)+(1/2)Vin*Io*Fsw*(Qsw/Igf)

        Igr是对MOS管基级充电的电流大小，Igf是放电电流大小，这依据Controller的电流能力。

      c.开关管驱动损耗：Pdr=Vg*Qg*Fsw  (Vg是基级驱动电压，该损耗是controller上的功耗)

      对于上管来说主要的损耗是导通损耗和开关损耗，因此选择MOS管的时候要同时考虑Rdson与Qg的参数，两者要均衡考虑，使得总损耗最小。

      2. 下管Q2

      a.导通损耗：Pcon= Io^2*(1-D)*Rdson

      b.开关损耗：可忽略。

     为什么下管不需要考虑开关损耗？因为Controller控制上下管关断和导通之间都存在一个死区时间Tdead，一般为ns级，这个时间是为了避免Q1,Q2出现某一个时刻同时导通使得回路短路发生。比如Q2要导通的时候，要保证在Q1关断后等待一个死区时间之后Q2才可以导通，此时Q1Q2同时保持关断，以免发生短路。

      而基于这样一个死区时间，电感L的电流会有一小段时间先通过Q2的体二极管，完成电感的续流，前面几篇也提到电感电流不能突变，必须有续流路径。而当死区时间之后Q2再导通的时候，Vds的电压一直保持为0（假设忽略体二极管压降）。开关损耗就是在Vds与Id在开关时间段内的乘积决定（不记得了可以看下电源篇(2)里的图）。而因为这个体二极管的原因，下关在导通的时候Vds被钳位在0V，所以几乎没有开关功耗，所以Q2的开关损耗也就可以忽略不计。但是相应的就会有一个二极管死区时间导通损耗。

      c. 体二极管导通损耗

Pdiode=Vf*Io*(Tdead1+Tdead2)*Fsw      (Tdead1,Tdead2分别是导通和关断的时候的死区时间)

      d. 开关管驱动损耗：Pdr=Vg*Qg*Fsw

      e. 体二极管反向恢复开关损耗

      Pdiode_sw =Vin*Fsw*Qrr  (体二极管反向恢复电荷)

      所以对于上管和下管，侧重点不一样，下管要用Rdson竟可能小的，而上管是要兼顾导通电阻和寄生电容的参数。因此一般上下管要选用不同的MOS。

      开关电源一般输出会放置一些储能电容，一些资料上看是按照3uF/W的大小去放置，但是实际我们一般放的都比这个要大。输出电容的大小决定了电压的纹波，电感上的AC电流在电容上就会产生纹波电压，用示波器实际去量的时候，也会发现是跟开关频率一致的锯齿形波形，这个是开关电源本身特性决定的。当然储能电容还有改善负载瞬态响应的作用。例如下图，负载瞬间有一个电流突变的时候，因为电感以及电源环路响应的限制，导致输出电压无法迅速响应这样的电流变化，导致电压跌落。

     当然还可以从之前讲的电源完整性的角度去理解上面说的瞬态响应，这里电源输出的储能电容，容值大，但是只处理低频段的响应，无法解决高频响应问题。

图文转自公众号：电子工程师那些事儿