作者：Stanley Dai

高效化和小型化，一直都是功率電源發(fā)展的兩個(gè)方向。同步BUCK在這兩個(gè)方面的卓越表現(xiàn)，也是在越來(lái)越多的場(chǎng)合得到了運(yùn)用，像鋰電池充電、二次磚塊電源等等。如圖1所示，同步BUCK相較傳統(tǒng)BUCK最主要的區(qū)別是用MOSFET器件代替了傳統(tǒng)的續(xù)流二極管，而MOSFET更低的導(dǎo)通損耗也為整個(gè)電源系統(tǒng)帶來(lái)了更高的效率。但是在電池充電和其他大容性負(fù)載的場(chǎng)合，擁有更高效率的同步BUCK在電路軟起動(dòng)階段，會(huì)遇到比較大的挑戰(zhàn)。甚至在某些惡劣情況下，過(guò)大的反向電感電流會(huì)導(dǎo)致電感飽和或者下管MOSFET被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 異步BUCK和同步BUCK示意圖

圖2 同步BUCK軟起動(dòng)階段反向電感電流示意圖

原因是同步BUCK在軟起階段，如果輸出端是帶電池或者其他大容性負(fù)載情況，重啟時(shí)輸出端極易殘余一定的電壓。而同步BUCK在軟起動(dòng)階段，其上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比會(huì)從小到大逐周期釋放。這就造成每個(gè)周期電感電流上升值無(wú)法彌補(bǔ)由于殘余電壓造成的反向電感電流跌路值。再加上同步BUCK天然支持FCCM模式，電感電流會(huì)反向不斷增大，以至于無(wú)法遏制。如圖2所示，在這種情況下，過(guò)大的反向電感電流會(huì)導(dǎo)致電感飽和或者下管過(guò)流損壞，對(duì)電路造成不可逆的傷害。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，最直接有效的方法是在同步BUCK軟啟動(dòng)階段引入二極管仿真模式，讓下管MOSFET驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制拉低，只讓其寄生的反并聯(lián)二極管參與工作。TI在工業(yè)界應(yīng)用極其廣泛的同步BUCK控制器LM5116，就自帶這個(gè)功能。下圖3表明了LM5116內(nèi)部實(shí)現(xiàn)該功能的邏輯圖，在LM5116軟起動(dòng)階段，其通過(guò)比較SW和DEMB點(diǎn)電壓判斷電感電流是否為負(fù)值。若電感電流為負(fù)值，內(nèi)置的比較器會(huì)主動(dòng)拉低下管MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以強(qiáng)制同步BUCK進(jìn)入二極管仿真模式，以保護(hù)電路不被過(guò)大的負(fù)電感電流損壞。這個(gè)特性，也讓LM5116在市場(chǎng)上廣受歡迎。

圖3 LM5116內(nèi)部框圖和二級(jí)管仿真模式實(shí)現(xiàn)圖

當(dāng)然，除了上述LM5116自帶的集成功能之外，本文也在下面介紹了怎么用分立的方案更靈活地在其他同步BUCK設(shè)計(jì)中搭建二極管仿真模式以保護(hù)下管MOSFET。以半橋驅(qū)動(dòng)LM5102為例，見(jiàn)圖4。

圖4 基于LM5102/TLV6742/LM2903搭建的分立二極管仿真模式實(shí)現(xiàn)方案

TI的半橋驅(qū)動(dòng)器LM5102，以其死區(qū)時(shí)間可控，雙入雙出的架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，倍受電源設(shè)計(jì)市場(chǎng)的喜愛(ài)。在圖4中，利用TLV6742運(yùn)放搭建下管低邊電流信號(hào)同向放大電路。當(dāng)電感電流為一定負(fù)值時(shí)，超過(guò)設(shè)定的閾值，會(huì)觸發(fā)比較器LM2903輸出電平跳變?yōu)楦撸瑥亩敵鲫P(guān)斷信號(hào)。該關(guān)斷信號(hào)連接到LM5102下管PWM信號(hào)輸入端的制動(dòng)MOSFET驅(qū)動(dòng)極，從而拉低LM5102下管輸入端信號(hào)，以強(qiáng)制讓同步BUCK進(jìn)入二極管仿真模式。

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