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[参考译文] TPS28225:驱动器与预偏置输出的问题

Guru**** 633810 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS28225, CSD17556Q5B
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/940104/tps28225-driver-issues-with-pre-biased-output

器件型号:TPS28225
主题中讨论的其他器件: CSD17556Q5B

我使用 TPS28225来驱动两个 N 沟道 MOSFET、从而在降压/升压配置中平衡两个串联锂电池组。 下面是简化版原理图:

在50%占空比下测试电路时、电路按预期工作、但随着占空比减小、电流上升到大约5安培、驱动器输出了一些奇怪的波形和可闻噪声。 当底部电池将电流传输到顶部电池(升压配置)时、会获取以下波形。 占空比从50%开始、然后降至约35%。

到目前为止一切都很好

然后、栅极驱动器开始输出一些高频开关。

我检查了以确保 PWM 输入没有执行任何奇怪的操作、看起来很好、EN/PG 引脚也稳定在3V。

我最初以为由于开关节点振铃而损坏了驱动器、因此换用了一个新的驱动器并添加了一个 RC 缓冲器、结果相同。 我的新猜测是它与预偏置输出有关。

如果有任何建议、我们将不胜感激!

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    您好、Jamie、 这确实很奇怪。 我的同事将于周一回到办公室与您一起处理此问题。
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    您好 Jamie、

    感谢您关注 TPS28225。查看第3幅和第4幅图、我看到当 HF 开关开始时、Ugate 的振幅很低、并且 Lgate 也在开关。 当 PWM 为低电平时、Lgate 输出应该变为高电平、但我看到 PWM 信号看起来很干净、但我确实看到高电平(下降)和低电平(上升)上有一个轻微的斜率。

    您能否确认 PWM 示波器图是否在靠近 TPS28225引脚的位置进行了短连接且该图具有宽带宽? 如果不是、请确认靠近 IC 引脚的 PWM 波形。 尽管该图看起来很干净、但驱动器的行为与 PWM 输入上的误触发一样。 您可以尝试在 PWM 输入端添加一个小型 R/C 滤波器、并将电容器放置在非常靠近 PWM 和 GND 引脚的位置。 尝试50欧姆和47-68pF 电阻开始。

    我还看到有一个与引导电容器串联的1欧姆电阻器。 UGATE 驱动电流可能会导致与引导电压的相位下降、这可能会导致 UGATE 输出出现意外行为。 尝试短接电阻器、并确保引导至相位电容器靠近 IC 引脚放置。 尝试绘制引导至相电压的图、以确认该电压是否稳定。 此外、如果存在噪声、EN 引脚可能会导致意外行为、请尝试向该引脚添加电容。

    确认这是否能解决您的问题、或者您可以在此主题上发布其他问题。

    此致、

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    您好 Richard、

    感谢您的回答。 我已将1欧姆电阻器短路、在 EN 引脚上添加了100nF 电容器、并在 PWM 输入端添加了 RC 滤波器。 然而,不幸的是,它的结果与以前一样。 我甚至将 RC 滤波电容增加到了500pF。 在示波器下、PWM 引脚现在看起来像这样(在100MHz 带宽下使用短连接进行测量):

    下面是启动和相位之间的波形:

    你有其他建议吗?

    Jamie

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    您好 Jamie、

    感谢您的更新。 PWM 看起来很干净、因此我不会认为这是一个问题。 引导相确实显示了一些纹波、因此可能值得考虑增大引导电容值。

    您能否提供您正在使用的 MOSFET 器件型号? 我想回顾一下这些器件、看看是否存在体二极管恢复时间和栅极电荷方面的问题。

    您能不能尝试添加一些栅极电阻、以确认 dV/dt 是否会对驱动器或 MOSFET 器件造成一些问题。 尝试从2欧姆增加电阻、并可能像实验一样增加到10欧姆。

    此致、

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    MOSFET 为 TPH1R403NL。 我将测试添加一些栅极电阻器。 我觉得奇怪的是、如果我正确地记住、在50%占空比下没有问题(当流过的电流非常小时)。 我还注意到、在测试中、如果我没有将串联电池连接到单元上的端子、而是将其用作一个无负载的简单降压转换器、那么也没有问题。

    Jamie

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    您好 Jamie、

    感谢您提供 FET 器件型号。 我在查看数据表时看到了一个值得注意的观察结果。 没有为体二极管恢复时间指定参数、这是同步降压或升压应用中的重要考虑因素。 很难避免通过 MOSFET 体二极管导通、一旦导通、必须在恢复时间内强制关闭。 这会导致动力总成中出现高 di/dt 和 dV/dt。

    TI 具有与 RDSON 和额定电压相关的类似参数 FET、规定的体二极管恢复时间为36ns。 该器件的栅极电荷也低于 Toshiba FET。

    我建议尝试使用此 FET 或另一个器件、注意快速恢复体二极管规格。 可在此处找到 CSD17556Q5B 数据表。

    https://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd17556q5b.pdf?ts=1600195854918&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fpower-management%252Fmosfets%252Fn-channel-transistors%252Fproducts.html%253Fpqs%253Dpaqs%2526familyid%253D1941

    此致、

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    您好 Richard、

    感谢您的帮助、在添加栅极电阻器和增加自举电容器后、电路按预期工作! 我怀疑是由于栅极电阻器的缺乏导致了问题。 我认为引导相位纹波是由额外的开关引起的。

    Jamie

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    感谢您确认此问题已解决。 您可以发布任何新问题。

    此致、

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    您好 Richard、

    使用一个10欧姆的电阻器似乎可以正常工作、在升压配置中、我没有问题、尽管使用一个低于这个值的电阻器会再次引起振荡。 但是、当我在启动时尝试降压配置时、它会短接较低的电池。 我认为这可能是预偏置启动问题。

    因此、我尝试了一种使用 TPS28225二极管仿真功能的软启动方法、在该方法中、我只会首先以50%的占空比开关高侧 MOSFET、然后缓慢地开始开关低侧 MOSFET、从而将其占空比提高到50%。 之后、我会将占空比正常缓慢调整为所需的值。 这可能连续工作了10次、我可以让它产生最大输出电流、但下一次尝试也在启动时导致底部电池短路。

    遗憾的是、我无法捕获短路的波形。 我还尝试了您的另一个建议、即使用具有更好反向恢复时间的不同 MOSFET、这没有什么帮助、还需要一个10欧姆栅极电阻器来防止振荡。 我猜可能在前10次尝试后、电池之间的电压差更大、软启动方法不能很好地工作。 在我看来、短路可能是由之前的相同振荡引起的。 也许10欧姆栅极电阻器还不够、但是任何更多的栅极电阻和 MOSFET 开始变得效率太低。

    Jamie

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    您好 Jamie、

    感谢您的更新。 遗憾的是、听到该问题再次出现在不同的工作模式和条件下。 到目前为止、我尚未提到或询问有关布局的详细信息、但动力总成大电流环路和栅极驱动器到 MOSFET 栅极驱动环路的布局是一个重要的考虑因素。 如果有具有高寄生电感的 PWB 走线长度、这可能会导致传动系和栅极驱动路径中出现高频振铃和电压尖峰。

    您是否有 可以共享的 PC 板布局? 如果您提供的原理图不完整、您还能提供完整的原理图吗?

    此致、

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    您好 Richard、

    我只能透露 PCB 的功率部分和原理图、栅极电阻器不是在原始设计上、而是在之后添加到 PCB 的背面、但这里是:

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    您好 Jamie、

    感谢您提供原理图和部分电路板图、驱动器和动力总成可助您一臂之力。 VDD 电容放置和引导电容放置看起来正常。 从驱动器到 FET 有一小段距离、但看起来并不过分。 我知道您无法显示控制部分、但不知道 PWM 信号的来源、EN 信号不能评论这些布线长度或布线。

    我唯一可以认为会导致高频行为的因素是驱动器 PWM 与接地引脚之间存在一些高频噪声或接地限制、或者 FET 由于某种原因进入高频振荡。 我知道、添加一些栅极电阻有助于解决问题、但在所有条件下都没有解决问题。

    您能否尝试向 EN 和 PWM 引脚添加电容、以确认驱动器 IC 引脚上没有接地反弹或噪声问题。 尝试在 PWM 引脚上启动68至100pF。 如果您仅使用启用和禁用作为开/关功能、则 ENABLE 应该能够具有更高的值。

    向 MOSFET 栅极添加电容、直接在栅极和源极引脚上拉电流、有助于减少开关事件期间的 Vgs 扰动。 尝试在 MOSFET 的栅极和源极引脚上直接添加1nF 作为实验。

    确认这是否解决了您的问题、或者您可以在此主题上发布其他问题。

    此致、

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    您好 Richard、

    PWM 信号和 EN 引脚源自我发送给您的 PCB 布局。 此外、我已经尝试向这些引脚添加一些电容、但没有成功、我想您之前已经提出过这一点。  

    我尝试在 MOSFET 的栅极和源极之间直接添加一个1nF 电容器、但这没有什么变化、我还尝试将其增加到3.2nF、这也没有什么帮助。  

    我注意到的一件事是、自从我添加了栅极电阻器后、高频振荡只会在启动时发生、这种情况之前一直发生。 这是我之前测试的结果-当它设法在降压或升压模式下启动时、即使电流超过30安培、一切都能正常工作。 所有问题都在启动时出现。 即使将器件用作简单的降压转换器(未将电池连接到输出端)、也会发生这些问题、即使没有负载也会发生。  

    以下是从 PHASE 引脚到 GND 无负载时的启动降压转换器波形:

    您可以看到、高频振荡仅在前16个周期左右出现。

    Jamie

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    您好 Jamie、

    在这个启动过程中、振幅看起来在变化、我不知道这是相位节点还是其中一个栅极驱动输出。

    驱动器 VDD 是否可能在启动时无法稳定、从而导致您看到的情况。

    确认驱动器 VDD 是否可能需要一些额外的电容来最大限度地减小偏置压降和恢复、或者如果这是功率级 Vin、是否可以增大该电容?

    此致、