Other Parts Discussed in Post: LMG5200, TPS40170
作為電源工程師，我們能夠回憶起第一次接觸到理想化的降壓和升壓功率級(jí)的場(chǎng)景。還記得電壓和電流波形是多么的漂亮和簡(jiǎn)單（圖1），以及平均電流的計(jì)算是多么地輕松，并且確定與輸入和輸出相關(guān)的傳遞函數(shù)也輕而易舉？
圖1：理想化的降壓與升壓功率級(jí)：這些圖看起來(lái)真是太棒了！
當(dāng)我們對(duì)于用實(shí)際組件來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器有更加深入的了解時(shí)，這個(gè)波形變得復(fù)雜了很多。不斷困擾開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特別明顯的非理想狀態(tài)就是同步降壓或升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)所使用的MOSFET體二極管的反向恢復(fù)。氮化鎵—GaN器件不會(huì)表現(xiàn)出反向恢復(fù)特性，并因此避免了損耗和其它相關(guān)問(wèn)題。借助于我的LMG5200和一個(gè)差不多的基于硅FET的TPS40170EVM-597，我將開(kāi)始在24V至5V/4A電源轉(zhuǎn)換器中測(cè)量反向恢復(fù)。
反向恢復(fù)—到底是個(gè)啥東西？
一個(gè)二極管中的反向恢復(fù)就是當(dāng)反向電壓被施加到端子上時(shí)流經(jīng)二極管的反向電流（錯(cuò)誤方向！）（請(qǐng)見(jiàn)圖2）。二極管中有儲(chǔ)存的電荷，這些電荷必須在二極管能夠阻斷反向電壓前重新組合。這個(gè)重新組合是溫度、正向電流、Ifwd、電流的di/dt，以及其它因數(shù)的函數(shù)。
圖2：反向恢復(fù)電流波形
恢復(fù)的電荷，Qrr，被分為兩個(gè)分量：恢復(fù)之前的Qa和恢復(fù)之后的Qb—二極管在此時(shí)開(kāi)始支持反向電壓—請(qǐng)見(jiàn)圖3。你也許見(jiàn)過(guò)Qb與Qa一樣的軟恢復(fù)，這樣的話，di/dt比較慢，或者說(shuō)，你見(jiàn)過(guò)Qb很小，而di/dt很高的“活躍”二極管。當(dāng)di/dt很高時(shí)（由二極管急變引起），橋式功率環(huán)路中寄生電感的響應(yīng)方式是把它們儲(chǔ)存的電能傾倒到寄生節(jié)點(diǎn)電容中；電壓振鈴會(huì)由于二階響應(yīng)而出現(xiàn)。這也是將輸入功率級(jí)旁路電容器放置在輸入級(jí)附近的原因。由于環(huán)路中用于快速恢復(fù)的電感較少，由寄生電容導(dǎo)致電壓振鈴的電能較少。
圖3：已恢復(fù)的電荷
我用常規(guī)的方法來(lái)計(jì)算反向恢復(fù)損耗：我使用的是數(shù)據(jù)表中的Qrr額定值，并將其乘以頻率和輸入電壓（如果是降壓轉(zhuǎn)換器）或輸出電壓（如果是升壓轉(zhuǎn)換器）。二極管或MOSFET數(shù)據(jù)表通常指定一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間和一個(gè)反向恢復(fù)電荷。例如，CSD18563Q5A指定了一個(gè)49ns的反向恢復(fù)時(shí)間，trr，以及一個(gè)63nC的Qrr。方程式1計(jì)算在一個(gè)300kHz，24V->5V降壓轉(zhuǎn)換器中，由Qrr所導(dǎo)致的損耗一階估算值：
Qrr損耗 ~24V * 300kHz * 63nC = 454mW (1)
請(qǐng)注意！Qrr通常是25°C溫度下，針對(duì)特定Ifwd和di/dt的額定值。實(shí)際Qrr會(huì)在結(jié)溫上升時(shí)，比如說(shuō)125°C時(shí)加倍（或者更多）。di/dt和初始電流都會(huì)有影響（更高或更低）。對(duì)于活躍型二極管，這個(gè)功率的大部分在上部開(kāi)關(guān)內(nèi)被耗散。對(duì)于軟恢復(fù)二極管，這個(gè)功率在上部開(kāi)關(guān)和體二極管之間分離開(kāi)來(lái)。如果di/dt和Ifwd條件與我的應(yīng)用相類似，我將25°C溫度下?lián)p耗的2倍作為與恢復(fù)相關(guān)損耗的估算值。
那么，你打算拿這些損耗怎么辦呢？實(shí)際電路中，由反向恢復(fù)導(dǎo)致的真實(shí)峰值電流是多少？你也許嘗試用一個(gè)SPICE工具來(lái)仿真恢復(fù)，不過(guò)我還未在SPICE社區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)比較好的針對(duì)二極管恢復(fù)的模型。圖4顯示的是一個(gè)TINA-TI? 仿真的結(jié)果；我用我們的24V/5V降壓轉(zhuǎn)換器的TPS40170產(chǎn)品文件夾對(duì)這個(gè)仿真進(jìn)行了修改，從而顯示出頂部開(kāi)關(guān)內(nèi)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 (SW) 和電流（負(fù)載電流加上反向恢復(fù)電流，以及用一個(gè)10mΩ分流電阻器感測(cè)到的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電容電流）。
圖4：TINA-TI? 仿真：TPS540170
注意到大約5A的峰值紋波電路，以及5A峰值反向恢復(fù)電流加上開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電容充電電流。我運(yùn)行了這個(gè)仿真，并且將溫度從27°C增加至125°C—峰值恢復(fù)電流沒(méi)有增加—并且看起來(lái)好像SPICE沒(méi)有對(duì)這個(gè)恢復(fù)進(jìn)行正確建模。
在本系列的第2部分，我將詳細(xì)介紹在真實(shí)電路中測(cè)量反向恢復(fù)的方法，然后將一個(gè)基于MOSFET的標(biāo)準(zhǔn)同步降壓轉(zhuǎn)換器與全新的LMG5200進(jìn)行比較。
其它資源：
原文鏈接：
https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2015/10/28/gan-to-the-rescue-part-1-body-diode-reverse-recovery
