1.前言

如果實(shí)習(xí)醫(yī)生看到他從未在醫(yī)學(xué)手冊(cè)中讀過(guò)的癥狀，他會(huì)診斷什么？集成電路 (IC) 驗(yàn)證工程師在其職業(yè)生涯的早期可以提出類似的問(wèn)題。事實(shí)上，就像醫(yī)生一樣，一名驗(yàn)證工程師被指派評(píng)估 IC 的“健康狀況”并做出正確的“診斷”，這有時(shí)需要結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備“解剖結(jié)構(gòu)”有深入的了解。

醫(yī)生可以通過(guò)監(jiān)測(cè)患者的心跳開始檢查。開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的驗(yàn)證工程師還監(jiān)控心跳：開關(guān)節(jié)點(diǎn)。但是如果開關(guān)波形看起來(lái)不像大多數(shù)教科書顯示的那樣怎么辦？這是否表明某種設(shè)備“疾病”，或者工程師可以將狀態(tài)解釋為正常嗎？

在這篇文章中我將討論“兔耳朵”——一種“癥狀”，在開關(guān)節(jié)點(diǎn)切換期間出現(xiàn)小顛簸。

考慮在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行的同步降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1）。在 t1（圖 2），低側(cè)開關(guān)關(guān)閉，高側(cè)開關(guān)打開。從 t1 到 t2，高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，V sw等于 V IN（忽略 R DS(on)損耗）。在此期間，電感電流增加。在 t2 時(shí)刻，高邊開關(guān)關(guān)閉，低邊開關(guān)打開，電感電流開始流過(guò)它。從 t2 到 t3，低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，V sw等于 GND（忽略 R DS(on)損耗）。在此期間，電感電流減小。在t3，循環(huán)再次開始。

我們可以在大多數(shù)文獻(xiàn)中找到圖 2 中所示的開關(guān)引腳和電感器電流的典型波形圖。但是，如果我們去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)示波器圖片（圖 3）可能看起來(lái)有些不同——它可以在切換時(shí)刻在切換節(jié)點(diǎn)上顯示“兔耳朵”。這是什么原因造成的？

圖 1：同步降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化圖

圖 2：在連續(xù)導(dǎo)通模式下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的電感電流 (I L ) 和開關(guān)節(jié)點(diǎn) (V sw ) 的波形圖

圖 3：電感電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)的示波器圖片與兔耳

秘訣在于圖 2 所示的簡(jiǎn)單模型沒(méi)有考慮切換動(dòng)態(tài)。實(shí)際上，開關(guān)階段之間的轉(zhuǎn)換不是瞬時(shí)的。打開和關(guān)閉輸出級(jí)的晶體管需要幾納秒的時(shí)間。為了避免開關(guān)之間的交叉導(dǎo)通，一個(gè)開關(guān)應(yīng)該在另一個(gè)開始閉合之前斷開。兩個(gè)晶體管都關(guān)閉（開路）的時(shí)間稱為“死區(qū)時(shí)間”。

當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)閉時(shí)，電流流向哪里？事實(shí)上，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 在漏極和源極之間有一個(gè)寄生體二極管（圖 4），因此在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電感電流流過(guò)其中一個(gè)開關(guān)的體二極管。在這段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)的幅度增加了大約等于二極管正向壓降的值。這種幅度增加在開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形中顯示為兔耳。

圖 4：同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出級(jí)和輸出濾波器的簡(jiǎn)化圖

兔耳的位置取決于開關(guān)時(shí)刻電感電流的方向。在大多數(shù)應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器提供電流。但在某些應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器也應(yīng)該能夠吸收電流。例如，TPS65175 是一款完全可編程的液晶顯示器 (LCD) 偏置 IC，它集成了一個(gè) HVDD 降壓轉(zhuǎn)換器，可以吸收和提供電流。

表1總結(jié)了同步降壓轉(zhuǎn)換器兔耳不同位置的五種情況。

表 1：同步降壓轉(zhuǎn)換器兔耳的不同位置取決于電感電流方向  

圖 5：高側(cè)體二極管的傳導(dǎo) (a)；低側(cè)體二極管的導(dǎo)通 (b)

如果切換節(jié)點(diǎn)是心跳，而驗(yàn)證工程師是醫(yī)生，他們會(huì)像正常情況一樣診斷兔耳的存在。兔耳確實(shí)會(huì)導(dǎo)致效率略有下降，因?yàn)樵隗w二極管傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)損失一些能量。那么挑戰(zhàn)就變成了如何優(yōu)化開關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)間。

DC/DC就是利用開關(guān)動(dòng)作將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲(chǔ)能元件的特性，將電能按照預(yù)定的要求釋放出來(lái)。開關(guān)頻率之于開關(guān)電源的質(zhì)量，就像心臟的脈搏之于我們的健康一樣，我們需要既規(guī)律又能自我調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率。所以我們說(shuō)：開關(guān)頻率是開關(guān)電源的重要指標(biāo)之一。

開關(guān)的規(guī)律性動(dòng)作，是開關(guān)電源工作的根本機(jī)制，頻率特性在電路各個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算中，都起到了決定作用。例如Buck電路公式中，頻率fs決定了電感電流紋波和輸出電壓紋波兩個(gè)核心指標(biāo)。可以看到頻率fs與紋波幅值成近似反比關(guān)系，頻率越高，紋波值越小。選擇合適開關(guān)頻率非常重要。