开关电源为什么会有“死区时间”

一路上

简介

基于常规的Buck 变换器，续流二极管换为MOSFET，即为同步Buck 变换器。如果选用较低导通电阻的MOSFET 作为同步管代替续流二极管，即使使用肖特基二极管，同步MOSFET 的导通损耗将大大低于肖特基续流二极管的功耗。

图1 非同步Buck变换器基本电路

图2 同步Buck变换器基本电路

其实我们在实际设计过程中，图1的电路越来越少被使用。这种Buck电路被称为非同步Buck，因为作为开关管的MOSFET只有一个就是Q1。Buck控制器芯片需要控制Q1的时序，但是不需要控制二极管。在非同步Buck电路中，二极管是不需要控制的，也不存在开关管同步的问题。

同步和非同步的区别从外部来看，非同步Buck电流有续流的二极管，同步Buck电路没有续流的二极管，取而代之是一个开关管。

非同步Buck电路，二极管续流（二极管与电感形成一个通路，二极管为电感保持电流持续，电流从二极管通过）期间，二极管两端的电压相对恒定，表现为二极管的“正向导通压降”VF。这个特性导致非同步压降电路在二极管上消耗的能量比较大，所以非同步Buck的效率比较低。因为其电路特点不需要复杂的控制，控制器成本也比较低。

同步电源控制器的上管，和下管（同步开关管）组成一个半桥的结构。

非同步Buck电路基本工作原理

当开关管Q1驱动为高电平时，开关管导通，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载R1提供能量。非同步Buck变换器基本电路的开关管导通等效为短路，二极管反向截止等效于断路，这个状态的等效电路如图3 所示。

图3 开关管导通状态下的等效电路

当开关管Q1驱动为低电平时，开关管关断，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，等效电路如图4 所示。

图4开关管关断状态下的等效电路

同步Buck电路基本工作原理

当上管导通，即为开关管Q1驱动为高电平时，此时下管关闭，即为开关管Q2驱动为低电平，储能电感L1被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C1充电，给负载提供能量。同步Buck变换器基本电路的上管导通等效为短路，下管关闭等效于断路，这个状态的等效电路如图5所示。

图5 同步Buck电路上管导通状态下的等效电路

当上管Q1驱动为低电平时，上管关断，此时下管Q2驱动电平为高电平，下管导通，储能电感L1通过续流二极管放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C1放电以及减小的电感电流维持，等效电路如图6 所示。

图6 同步Buck电路的上管关断状态下的等效电路

但是，所谓同步是相对的，两个开关管的控制不可能完全严丝合缝的正好一个打开，一个关闭。所以控制器遵循一个原则：宁可错杀一千，不可放过一个。宁可两个开关管同时关闭，不让电流通过，也不让两个开关管有机会同时打开，让电流直接从Vin流经两个开关管，与地面短路。

因此二者的驱动信号间必须有一定的死区时间以防止输入回路的短路直通，即在死区时间，两个开关管都不导通。

死区时间

我们需要理解，任何控制器都需要控制避免上下管同时打开，如果出现这个状态，则非常容易出现烧管情况，因为相当于通过上下管把输入电源和GND进行了短路。

为了避免这种状态，只好在上管关闭之后，等待一个时间段，再对下管进行打开的操作。而在两个MOSFET都关闭的状态，我们就称为死区时间。这个时间，主要依赖下管的寄生二极管进行续流，实现输出电流的一个回路，如图5.28所示。

此时的功耗，就是下管的寄生二极管的功耗，也就是二极管的正向导通压降(Vd(on))乘以此时的电流。在开关开关的过程中，会有两个阶段经历死区时间td1和td2，td1表示上管和下管都关闭，下管刚关闭，上管还没打开，在此之前电流一直下降，此时电流最小为；经历了上管打开的过程之后，上管关闭，在此之前电流一直在增大，此时电流最大为，上管关闭之后上管与下管都关闭，此时经历一个td2，如图所示。

所以下管的死区时间功耗计算公式如下：

两个时间段，电流略有区别，两个时间段td1和td2，上下管的驱动电压UGATE和LGATE都是低电平，也就是两个MOSFET都是截止状态。电流从下管的寄生二极管通过电流，计算下管死区时间的功耗，就是这两个时间段流经寄生二极管的电流乘以二极管的正向导通电压，再乘以两个死区的时间，除以周期时间，就是死区时间的平均功耗。