[参考译文] LM5106：振铃/振荡问题

您好、Richard、  

我们的设备专家目前在感恩节假期不在办公室。 敬请期待下周早些时候的答复。 谢谢！  

薇薇安

谢谢 Vivian。

您好、Richard、

感谢您联系我们。

是否尝试拆除 D4和 D5？ 如果最后下降时间太慢、您可以尝试将栅极电阻器从10欧姆降低到2.2欧姆、或选择适合/满足设计要求的任何器件。

请告知我们、我们可以更详细地进行了解。

谢谢。此致、

里特什  

Ritesh、您好！

感谢您的快速回复！ 我尝试了短接 R5和 R6、当然也有效地移除了 D4和 D5。

此外、我安装了与10uF 大电容并联的小型 HF 旁路电容器(100nF || 1nF)、尤其是 C1和 C12 (其自谐振频率在-5MHz 范围内)。

遗憾的是、这没有任何区别：

主要问题是、为什么正向边沿在这些高(或低)占空比下比在中间范围内的某个位置要陡得多。 似乎这些100-200ns 范围内的较短的低向相位会在某种程度上导致谐振、导致正向边沿的上升速度比否则的情况要快得多(请参阅我第一篇文章的最后一幅图像)。

为完整起见、以下是 PCB 相关部分的图像：

这是同一个区域、现在只是底层：

这是一个实心接地层、具有用于高侧 MOSFET 栅极(左)和 HS 信号的切口布线。

很久以前、我遇到过类似的问题、原因是 GND 平面中的切断、实际上导致了谐振环路-但这些环路要大得多、并且可以通过减小切断点来轻松修复。 这些走线太短、包括 GND 回路不应在100MHz 范围内产生谐振。

但为了确保这一点、我在底层的这两条引线上铺设了两个小 GND 电桥。 正如预期的那样、它根本没有产生任何差异。

您好、Richard、

通过短接 R5/R6、您的确有效地消除了二极管效应、但是它无助于减少振铃、因为现在您的开通速度也提高了。

因此、如果您不需要电源开关的快速上升/下降时间、那么可以移除这些栅极二极管、保留栅极电阻。 这会减慢栅极的速度、并应减少振铃。

除了开关速度、栅极驱动环路电感和电源开关寄生元件是导致高频振铃的关键因素。 通过减小栅极驱动环路、可以减少振铃、但这是一个迭代过程、很多时候是不可行的(具体取决于项目的阶段)。

我的同事威廉也可以在这里补充他的一些评论。

此致、

里特什

您好，Ritesh

二极管难道不应该仅影响 MOSFET 的关断？ 当高侧 MOSFET 开启而不是关闭、并且仅高侧 MOSFET 而不是低侧 MOSFET 时、就会出现该问题。

此外、我不能使栅极驱动环路尽可能短-尽可能短。 将一根导线从 MOSFET 开关输出直接连接到 C11 (旁路至右侧稍长的环路)未产生任何影响。

无论如何、为了确保这一点、我恢复了10欧姆栅极电阻器并移除了二极管、正如我预期的那样、这没有任何变化。 这是95%占空比时的信号样子：

和以前一样、当占空比远离最高(或最低)值时、问题就会消失。 这是73%占空比的情况、其中振铃几乎消失、而上升沿不是如此陡峭：

几乎看起来在小(高或低)占空比下、脉冲小于200ns 或大于3.8us 时、与中程占空比相比、LM5106的栅极驱动能力要大得多。 那么、自举电容器 C11与它有什么关系呢？

但是、我首先尝试将栅极电阻器增加到47欧姆、看看会发生什么情况。 遗憾的是、这几乎会立即损坏高侧 MOSFET、即使在24V 电源上存在500 mA 电流限制的情况下也是如此。

更换双路 MOSFET、LM5106并将栅极电阻恢复为10欧姆(仍然没有二极管)后、我将死区时间电阻器 R4增加到100K、 就在安全方面-这应该会提供大约550ns 的死区时间以在实验期间保护 MOSFET；作为良好的测量、我还将自举电容器 C11从100nF 增加到1uF、这样栅极驱动电流也不应该是一个问题。

结果出乎意料：

不仅高侧 MOSFET 导通后仍会引起与之前相同的振铃、而且由于与之前相同的奇怪边沿行为、现在在实际导通前还存在非常奇怪的类似半正弦的波形。

我不知道怎么说、只是它必须与 LM5106电源或升压电路相关。 哦、从此处开始增加占空比最终会再次损坏高侧 MOSFET、这可能是由于该半周期在很多时间内处于开启状态而导致功耗过高所致。 很明显,有些事情是非常错误的,但我不知道它是什么。

因此、我在这里几乎有损失。 我想我尝试了一切我能做到的,但我到目前为止的所有改变要么什么也没有做,甚至把事情搞砸了。 奇怪的是、我以前在几乎相同的配置中多次使用 LM5106、不同之处在于我使用了单个 MOSFET、然后、具有更大的输入电容、更大的电感器和不同的 PCB 布局(其中一个布局也会导致振铃、但这很容易修复)。

是否有人有任何想法,什么可能导致这种奇怪的行为?

嗨、Richard、

我是 Ritesh 的同事、想在这里补充一些见解。

您如何进行这些测量以查看振铃？
如果出现过度振铃的情况、建议在驱动器引脚上使用尖端和接地筒探头、并将示波器设置为交流耦合和全带宽模式。 这使您能够准确捕捉振铃、以确保电路中发生的情况就是您看到的情况。

您是否能够添加一个自举电阻器并看看这是否能改善此振铃和过冲？ 一种可能是您会在低占空比情况下看到自举电容器过度充电。 这并不能回答高占空比场景中出现这种情况的原因、但可以通过这种方式深入了解自举电容器是否过度充电。

请告诉我您从我的问题中得出的结论是什么、以及您是否有任何其他问题。

谢谢！

威廉·摩尔

您好、William、

感谢您参加这个相当棘手的难题研讨会！

我使用的是带有接地夹的标准示波器挂钩探头,其中有小块套管绝缘变压器导线焊接到实际的测量点。 所有接地夹都被钳位在焊接到上面 PCB 图中所示的其中一个 GND 连接的厚 GND 线位上。

这是它从上面看起来的样子：

是的、我知道使用尖头和桶形探头法可以获得更清晰的结果、但由于我到目前为止未能实现电子工程师增加几只手的梦想、因此我一次只能测量一个信号。 即使如此、控制控制控制器输入和示波器也需要相当大的 Juggling。

无论如何、我再次将 C11 (C 自举)改回100nF、并将小型自举电阻器串联在一起。 在10欧姆时、没有任何变化、示波器图片仍然与最后一幅相同。 当 R-bootstrap =100欧姆时、振铃会有所减少、但其他一切都保持不变、包括在高侧 MOSFET 的死区时间期间出现的奇怪峰值：

现在、我当然可以通过再次将 R4减小到10K 来将死区时间重置为一些更合理的值-这无疑会消除驼峰、但随后我又回到正方形1。 然后同样、至少事情不应该再爆炸、我还可以更准确地测量振铃频率-尽管我不知道这是否提供了很多信息。

我需要回答的主要问题是、是什么导致高侧驱动的边缘在极低和高占空比下变得更陡、从而产生振荡、同时在中间恢复到更平缓的斜率。 这可能也与这种神秘的驼峰有关-它看起来有点像2 -3 MHz 信号的一部分、并且与10uH 电感器的谐振频率和组合的 MOSFET 输出电容(380 pF)大致相同。

那么、这些短脉冲(在高占空比和低占空比)可能会导致 MOSFET 开关和电感器以几 MHz 的频率产生共振、从而使电流通过顶部 MOSFET 源极电容驱动回栅极、强制实现陡峭的导通？ 然后,再,我从来没有看到任何这样的事情发生之前,甚至在我更富兰肯斯廷的创作,与邻居抱怨电视干扰...

另一个观察结果：我测量了射频振铃(见下文)、并从 MOSFET 开关输出(HS)向 GND 引入了额外的电容、以查看这是否有所不同。

这是没有额外电容的 HF 振铃、在 IN (！)上测得 信号、那么上面的示波器图像中的底部迹线：

信号中也是如此、现在从 HS 到 GND 使用470pF 陶瓷电容器：

振幅稍低一些、但频率基本没有变化。 这意味着 HF 振铃并不取决于此时的电容、而是似乎来自 LM5106。

不过、"Hump"似乎明显更宽、因此该低频谐振确实是由 MOSFET 开关输出端的 LC 组合导致的：

令人困惑的是、我到目前为止试过的几乎没有任何东西对核心问题产生任何影响。 我尝试增加+24V 和+12V 电源线上的电容器(并实现电容器多样化)、在两个底层布线上引入了额外的 GND 电桥、并尝试在不同的位置使用不同的栅极电阻器、自举电阻器和几个小电容器来看看会发生什么情况。 在此期间、射频振铃保持稳定的100 MHz 信号、仅由电容器略微抑制、但以任何其他方式发生变化、更不用说消除了。

根据我的经验、最可能的原因仍然是 PCB 的几何形状、但我不知道可以如何改进-我使一切尽可能靠近、底部有一个闭合的 GND 平面、除了两个短布线。

嗨、Richard、

看起来您可能会遇到"安静"的开关条件、其中动力总成为软开关或大部分为软开关。 这种情况发生在 MOSFET 的漏极在死区时间内转换或者主要是从低电平转换为高电平的情况下。

对于波形上的振铃、看起来当您关闭低侧 FET 时会出现硬开关。 这种情况发生在体二极管开始导通(开关节点保持低电平)时、并且当开启高侧时、由于强制低侧 FET 的体二极管关断、开关节点 dV/dt 会高得多。

为了软化这种硬开关、您可以增加高侧 FET 的导通电阻、或利用具有更快体二极管恢复速度的 FET。

如果您有任何疑问、请告诉我您对此的发现是什么以及您是否有任何其他问题。

谢谢！

威廉·摩尔

你好、William、

首先、我再次感谢您的持续支持和投入。 我真的很感激、尽管到目前为止、它还没有给我带来更接近的解决方案。

我不太明白这种"安静切换"或"软切换"是如何工作的、我会看看我是否能找到有关这方面的更多信息。

对于波形上的振铃，当您关闭低侧 FET 时似乎正在发生硬开关。

恐怕我不会在这里分享您的分析-恰恰相反：据我所见、波形并没有显示低侧 MOSFET 的开关和高侧 MOSFET 的振铃之间存在任何关系。 我之前展示了两条迹线、一条死区时间短、占空比高、另一条死区时间长、占空比低：

迹线3 (品红色)是低侧 MOSFET 栅极信号。 在任何一种情况下、导通或关断该栅极几乎不会在其他信号中产生任何可见纹波。 (在关闭低侧 MOSFET 时、迹线4上的微小振铃是通过接地环路拾取的 HF 伪影、在使用"尖头与桶"方法时消失。) 但是、当高侧 MOSFET 导通时、这会在所有线路上引起强烈振铃。

此外、当切换低侧 MOSFET 时会引起振铃、那么这是否不会一直发生、无论占空比如何？ 因为当占空比介于25%至75%之间时根本没有问题、如下所示：

当高侧 MOSFET 驱动信号从非常陡峭(和振铃)变为随着占空比增加更缓慢的斜坡时、这是很奇怪的、 最后又回到非常陡峭的地方-我可以尝试拍摄一段视频，如果这可以让大家更清楚地了解我所看到的情况。

关于体二极管： 数据表中给出的反向恢复时间 为29ns (从19A 开始、di/dt = 100A/us)、比我使用的大多数其他 MOSFET 都快、而且不会出现任何问题。 因此、我认为此原因不是体二极管速度缓慢。 但我首先将深入探讨上述静音/软开关现象、看看其工作原理。 您是否碰巧有任何与此相关的开发说明链接？

无论如何、尝试另一个 MOSFET 或增加其导通电阻需要创建和订购一个新的 PCB、以容纳新器件、而这至少需要几周、更可能甚至一个月的时间、而假期即将到来时会是这样。

BTW、我可以复制电路、然后将其物理发送给您进行测试、如果您这样做的话-我还有几块库存板。 是的,这是我真的应该为自己弄明白的东西,但我必须承认,这个问题使我陷入了陷阱。

再次感谢您、此致、

理查德