【導讀】ADI LTC1871 開(kāi)關(guān)穩壓器是一款異步升壓型轉換器，其輸出端采用了一個(gè)外部 MOSFET 和肖特基二極管，它的 SPICE 模型可用于構建一個(gè)輸入電壓為 1(V)、輸出電壓為 12(V) 和負載電流為 24(A) 的升壓轉換器，如下圖 (圖1) 所示。接下來(lái)開(kāi)始運行仿真以觀(guān)察每個(gè)終端的波形。
本文由ADI代理商駿龍科技工程師講解如何利用LTC1871 升壓型開(kāi)關(guān)穩壓器的仿真電路來(lái)檢查開(kāi)關(guān)波形，并觀(guān)察寄生電感變化時(shí)的 PCB 布局。
使用理想模型進(jìn)行仿真
ADI LTC1871 開(kāi)關(guān)穩壓器是一款異步升壓型轉換器，其輸出端采用了一個(gè)外部 MOSFET 和肖特基二極管，它的 SPICE 模型可用于構建一個(gè)輸入電壓為 1(V)、輸出電壓為 12(V) 和負載電流為 24(A) 的升壓轉換器，如下圖 (圖1) 所示。接下來(lái)開(kāi)始運行仿真以觀(guān)察每個(gè)終端的波形。
LTC1871 開(kāi)關(guān)穩壓器仿真結果
仿真結果如下圖 (圖2) 所示，從頂部開(kāi)始分別為：輸出波形、SENSE 引腳波形、第 I 個(gè)引腳波形、GATE (BG) 引腳波形和開(kāi)關(guān) (SW) 節點(diǎn)波形。從波形來(lái)看它是穩定的，控制引腳 Ith 上的信號是干凈的，SENSE 引腳的電壓尖峰正常上升，并且開(kāi)關(guān)節點(diǎn)是沒(méi)有電壓尖峰的。但是實(shí)際上這個(gè)波形與仿真的波形完全不同，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)可能會(huì )遇到過(guò)沖并且 GATE 引腳下沖的情況，這或許會(huì )超過(guò) GATE 引腳的最大規格，同樣開(kāi)關(guān)節點(diǎn)也可能會(huì )下沖并高于最大額定值。在實(shí)際應用中，這些情況的不僅會(huì )發(fā)生，并且可能會(huì )因 PCB 布局而加劇。
電路板寄生電感變化時(shí)的反應
在實(shí)際電路中存在寄生元件，例如寄生電感。寄生電感是由元件幾何形狀和 PCB 布局引起的，由于電流壓擺率非常高，與 MOSFET、二極管和輸出電容器串聯(lián)的寄生電感可能存在一些問(wèn)題，例如高壓擺率的電流在這些寄生電感中會(huì )產(chǎn)生大電壓。如下圖 (圖3) 紅框部分所示為具有附加寄生電感的升壓轉換器電路，在該電路中首先需要將寄生電感添加到控制器的 GND 引腳，紅框以外的寄生電感可省略，因為它們在這次仿真中并不重要。
寄生電感對輸出波形的影響
接下來(lái)可以查看仿真結果，如下圖 (圖4) 所示。從圖中可以觀(guān)察受電感影響的輸出波形，可以看到有大量的高頻振鈴。其中第一級的第 I 個(gè)控制引腳和第二級的 SENSE 引腳上存在電壓尖峰，這些電壓尖峰可能會(huì )影響到控制器。此外第三級控制器的 PGND 上也有振鈴，它會(huì )在外部組件和控制器的 GND 之間產(chǎn)生電壓差。第四級 GATE 驅動(dòng)引腳也出現過(guò)多振鈴，這個(gè)振鈴可以被有效利用，但它也有可能因為超過(guò)柵極引腳的最大額定值并導致故障。
通過(guò)下圖 (圖5) 中的放大輸出波形圖，可以比較直觀(guān)地看到寄生電感的變化，其中主要問(wèn)題點(diǎn)是超過(guò)控制器引腳的最大額定值。需要注意的是，柵極驅動(dòng)器的引腳受到振鈴的影響后也可能會(huì )導致電路問(wèn)題，所以為了盡量減少這些問(wèn)題，必須將寄生電感降至最低。在仿真過(guò)程中首先需要注意功率 MOSFET 和輸出電容器選擇低寄生電感的組件，外部功率 MOSFET (IPP052N06L3) 采用 TO-220 和 TO-263 封裝，TO-220 封裝具有一個(gè)約 13mm 長(cháng)的源極引腳，TO-263 型封裝具有一個(gè)約 4mm 長(cháng)的源極引腳。僅考慮長(cháng)度，TO-220 封裝的寄生電感可能比 TO-263 型大 3 倍以上。
為了最小化輸出電容器的電感，建議選擇表面貼裝陶瓷電容器，而不是帶引線(xiàn)端子的電容器。此外通過(guò)并聯(lián)陶瓷電容器，可顯著(zhù)降低等效串聯(lián)電感，為了降低寄生電感，功率 MOSFET、二極管和輸出電容應盡可能靠近放置，并用粗短接線(xiàn)連接。
總結
本文通過(guò)理想電路仿真，說(shuō)明了LTC1871自身的 GND 和外部組件 GND 可以達到均衡，然而在現實(shí)中，電路會(huì )受各個(gè)元件和 PCB 的寄生電感的影響而導致電位擺動(dòng)，并且從仿真波形圖可以看到這些寄生電感效應會(huì )導致電源 IC 發(fā)生故障。
文章來(lái)源：亞德諾半導體
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