開關電源的“死區(qū)時間”是怎么回事？

基于常規(guī)的Buck 變換器，續(xù)流二極管換為MOSFET，即為同步Buck 變換器。如果選用較低導通電阻的MOSFET 作為同步管代替續(xù)流二極管，即使使用肖特基二極管，同步MOSFET 的導通損耗將大大低于肖特基續(xù)流二極管的功耗。

其實我們在實際設計過程中，圖5.1的電路越來越少被使用。這種Buck電路被稱為非同步Buck，因為作為開關管的MOSFET只有一個就是Q1。Buck控制器芯片需要控制Q1的時序，但是不需要控制二極管。在非同步Buck電路中，二極管是不需要控制的，也不存在開關管同步的問題。

同步和非同步的區(qū)別從外部來看，非同步Buck電流有續(xù)流的二極管，同步Buck電路沒有續(xù)流的二極管，取而代之是一個開關管。

非同步Buck電路，二極管續(xù)流（二極管與電感形成一個通路，二極管為電感保持電流持續(xù)，電流從二極管通過）期間，二極管兩端的電壓相對恒定，表現(xiàn)為二極管的“正向導通壓降”VF。這個特性導致非同步壓降電路在二極管上消耗的能量比較大，所以非同步Buck的效率比較低。因為其電路特點不需要復雜的控制，控制器成本也比較低。

同步電源控制器的上管，和下管（同步開關管）組成一個半橋的結構。

（1）非同步Buck電路基本工作原理分析

當開關管Q1驅動為高電平時，開關管導通，儲能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載R1提供能量。非同步Buck變換器基本電路的開關管導通等效為短路，二極管反向截止等效于斷路，這個狀態(tài)的等效電路如圖5.3 所示。

圖5.3 開關管導通狀態(tài)下的等效電路

當開關管Q1驅動為低電平時，開關管關斷，儲能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖5.4 所示。

圖5.4開關管關斷狀態(tài)下的等效電路

（2）同步Buck電路基本工作原理分析

當上管導通，即為開關管Q1驅動為高電平時，此時下管關閉，即為開關管Q2驅動為低電平，儲能電感L1被充磁，流經(jīng)電感的電流線性增加，同時給電容C1充電，給負載提供能量。同步Buck變換器基本電路的上管導通等效為短路，下管關閉等效于斷路，這個狀態(tài)的等效電路如圖5.5所示。

圖5.5 同步Buck電路上管導通狀態(tài)下的等效電路

當上管Q1驅動為低電平時，上管關斷，此時下管Q2驅動電平為高電平，下管導通，儲能電感L1通過續(xù)流二極管放電，電感電流線性減少，輸出電壓靠輸出濾波電容C1放電以及減小的電感電流維持，等效電路如圖5.6 所示。

圖5.6 同步Buck電路的上管關斷狀態(tài)下的等效電路

但是，所謂同步是相對的，兩個開關管的控制不可能完全嚴絲合縫的正好一個打開，一個關閉。所以控制器遵循一個原則：寧可錯殺一千，不可放過一個。寧可兩個開關管同時關閉，不讓電流通過，也不讓兩個開關管有機會同時打開，讓電流直接從Vin流經(jīng)兩個開關管，與地面短路。

因此二者的驅動信號間必須有一定的死區(qū)時間以防止輸入回路的短路直通，即在死區(qū)時間，兩個開關管都不導通。

我們需要理解，任何控制器都需要控制避免上下管同時打開，如果出現(xiàn)這個狀態(tài)，則非常容易出現(xiàn)燒管情況，因為相當于通過上下管把輸入電源和GND進

行了短路。

為了避免這種狀態(tài)，只好在上管關閉之后，等待一個時間段，再對下管進行打開的操作。而在兩個MOSFET都關閉的狀態(tài)，我們就稱為死區(qū)時間。這個時間，主要依賴下管的寄生二極管進行續(xù)流，實現(xiàn)輸出電流的一個回路，如圖5.28所示。

此時的功耗，就是下管的寄生二極管的功耗，也就是二極管的正向導通壓降(Vd(on))乘以此時的電流。在開關開關的過程中，會有兩個階段經(jīng)歷死區(qū)時間td1和td2，td1表示上管和下管都關閉，下管剛關閉，上管還沒打開，在此之前電流一直下降，此時電流為；經(jīng)歷了上管打開的過程之后，上管關閉，在此之前電流一直在增大，此時電流為，上管關閉之后上管與下管都關閉，此時經(jīng)歷一個td2，如圖所示。

所以下管的死區(qū)時間功耗計算公式如下：

兩個時間段，電流略有區(qū)別，兩個時間段td1和td2，上下管的驅動電壓UGATE和LGATE都是低電平，也就是兩個MOSFET都是截止狀態(tài)。電流從下管的寄生二極管通過電流，計算下管死區(qū)時間的功耗，就是這兩個時間段流經(jīng)寄生二極管的電流乘以二極管的正向導通電壓，再乘以兩個死區(qū)的時間，除以周期時間，就是死區(qū)時間的平均功耗。