CN107194107B - 一种改善mosfet振铃电源效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，主要是在门级电阻R1处并联一个反向的二极管D2，所述的门级电阻R1位于Buck线路上MOSFET的Gate极。在增加的生产成本基本上可以忽略不计的情况下，不仅没有影响Buck线路MOSFET振铃效果的，反而提高了Buck线路的整体效率近0.4％，降低了系统损耗，大大增强了产品的竞争力。

Description

一种改善MOSFET振铃电源效率的方法

技术领域

本发明主要涉及CPU电源设计环节，尤其涉及一种改善MOSFET振铃电源效率的方法。

背景技术

随着服务器CPU对运算性能的提高，其功率要求也越来越大，随之带来的就是对CPU供电的BUCK线路中功率器件性能的提升，控制管能够以大于10kv/us的速度进行电压切换。然而，开关速度越快，开关噪声则越大。特别是当控制管打开而同步管关闭时，环路电感，环路电阻以及同步管的输出电容组成一个RLC回路，并会在谐振频率下震荡。震荡会导致电压的过冲以及在开关节点上的振铃。而在设计中一般都倾向于百分之八十的电压裕量，这就意味着MOSFET源极和漏极之间的最大电压不应该超过其击穿电压的80％。比如，击穿电压为25V的MOSFET，在任何时候其漏源两端的电压不应该超过20V。所以，电源设计者需要对电路进行特别设计，防止振铃造成的电压尖峰超过电压裕度的要求。

在现有的设计中，为了降低在MOSFET开关过程中产生的振铃现象，主要通过使用门级电阻来降低开关管的开关速度来实现的,但同时也会降低关断速度，造成不必要的开关损耗,严重影响了系统功耗。尤其是对服务器这种大功率，不间断使用的设备，1％的系统功耗就意味着几万的损失，而在大的服务器需求商的招标中，服务器功耗每增加1万，竞价价格就要降低100元以上，这就意味着一台服务器竞价要比竞争对手低几百元，大大降低了自身的竞争力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，通过给门级电阻并联一个二极管，在不影响降低Buck线路MOSFET振铃效果的情况下，提高了Buck线路的整体效率，大大增强了服务器的竞争力。

本发明采用以下技术方案：

一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，在门级电阻R1处并联一个反向的二极管D2，所述的门级电阻R1位于Buck线路上MOSFET的Gate极。

进一步的，门级电阻R1阻值的选择标准为：振铃情况的严重程度与门级电阻R1的阻值大小成正比，即振铃情况越严重，选取门级电阻R1的阻值越大。

进一步的，所述的门级电阻R1的阻值不大于3.3欧姆。

优选的，所述的门级电阻R1为以下阻值中的一种：1.1欧姆、2.2欧姆、3.3欧姆。

进一步的，当Buck线路上没有振铃情况时，门级电阻R1选用0欧姆电阻。

进一步的，所述的二极管D2满足以下条件：二极管D2的正向导通电压不大于0.5V、耐电流大于0.5A。

进一步的，二极管D2的正向导通电压满足以下选择标准：在满足电路导通要求的情况下，二极管D2的正向导通电压越小越好。

本发明的有益效果是：

1、通过给门级电阻R1处并联一个反向的二极管D2，在增加的生产成本基本上可以忽略不计的情况下，不仅没有影响Buck线路MOSFET振铃效果的，反而提高了Buck线路的整体效率近0.4％，降低了系统损耗，大大增强了产品的竞争力。

2、设定了R1阻值选取范围并提供了1.1欧姆，2.2欧姆，3.3欧姆三种具体的阻值，在振铃越严重时选取阻值越大的电阻，减少了阻值选取的时间，提高了设计效率，同时，3.3欧姆的上限设计，减小了电阻太大对于功耗损失的影响，避免由于电阻过大，让Q1的开启过缓而造成Q1长时间工作在半导通状态，降低了Q1烧毁的风险。

3、设计了二极管D1的具体要求，在正向导通电压不超过0.5V的情况下，选取正向导通电压更小的二极管，从而提高功耗节省效果，同时限定了耐电流的下限为0.5A，以保证足够的回流路径。

附图说明

图1是现有技术的电路原理图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是现有技术下的振铃效果图；

图4是应用本发明后的振铃效果图；

图5是本发明和现有技术下电源效率的对比效果图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员能够更好地理解、实现本发明，下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

造成振铃的主要原因是器件的高速开关使得过剩的能量注入到电路寄生的参数中。这种过剩能量是由快速的电流变化(di/dt)和快速的电压变化(dv/dt)造成的。如图1所示，在现有技术的设计中，为了降低在MOSFET开关过程中产生的振铃现象，主要通过使用门级电阻来降低开关管的开关速度来实现的。在驱动和MOSFET门级之间增加一个门级电阻是减慢开关最简单的方式。在同步BUCK变流器中，开关节点的上升沿是最应该被减慢的，在控制管上加一个门级电阻会有所帮助。

如图2所示，在现有的门级电阻R1上并联一个反向的二极管D2，来实现对MOSFET的驱动。这样在MOSFET开启的时候，通过门级电阻R1实现对MOSFET的驱动，降低MOSFET开启时候的速度，从而降低电流变化(di/dt)和快速的电压变化(dv/dt)的速度，实现对尖峰振铃的降低。当MOSFET关闭时，电流直接通过二极管D2，能实现快速的关短，从而不影响MOSFET关短时的功耗，实现对效率的优化。

在实际的应用中R1的阻值选取分别为1.1欧姆，2.2欧姆，3.3欧姆三种，振铃越严重，选取的阻值越大。但最好不要大于3.3欧姆，电阻太大使功耗的损失影响太大，另外电阻过大让Q1的开启过缓，可能会造成Q1长时间工作在半导通状态，使Q1有烧毁风险。D1的选择应选取正向导通电压越小越好，最大不大于0.5V，以提高功耗节省效果，耐电流应大于0.5A，以保证足够的回流路径。

如果并不确定需要增加门级电阻，或者砸初始阶段并没有振铃现象，通常可以并联一个零欧姆的电阻和二极管在Gate，在不影响整个电路的情况下，这样可以预留位置，一旦出现振铃现象，可以及时更换门级电阻的阻值。

为了进一步的说明本发明改进的效果，以12V转5V，频率设计为500KHZ，门级电阻2.2欧姆为例，经过实际测试，图3为现有技术下振铃的波形图，图4为采用本发明技术下振铃的波形图，可以看出增加二极管D2对降低振铃的效果基本没有影响，测试波形与只加门级电阻R1时基本上完全一致。然后再做实际的效率对比测试，如图5所示，使用了本发明的技术以后，整体效率相对于原来提高了大概0.4％。

尽管说明书及附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，应用于门级电阻R1，所述门级电阻R1的一端接第一运放的输出端，门级电阻R1的另一端接场效应管Q1的栅极；第一运放的输入端接PWM，第一运放的正极电源分别接电容C1一端和二极管D1负极，二极管D1正极接5V电源，第一运放的负极电源分别接电容C1另一端、场效应管Q1源极、场效应管Q2漏极，场效应管Q1漏极接V_IN；场效应管Q2栅极接第二运放的输出端，场效应管Q2源极接地，第二运放的正极电源接5V电源，第二运放的负极电源接地，第二运放的输入端接PWM，其特征在于，在门级电阻R1处并联一个反向的二极管D2，所述的门级电阻R1位于Buck线路上MOSFET的Gate极。

2.根据权利要求1所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，门级电阻R1阻值的选择标准为：振铃情况的严重程度与门级电阻R1的阻值大小成正比。

3.根据权利要求2所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，所述的门级电阻R1的阻值不大于3.3欧姆。

4.根据权利要求3所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，所述的门级电阻R1为以下阻值中的一种：1.1欧姆、2.2欧姆、3.3欧姆。

5.根据权利要求2所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，当Buck线路上没有振铃情况时，门级电阻R1选用0欧姆电阻。

6.根据权利要求1所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，所述的二极管D2满足以下条件：二极管D2的正向导通电压不大于0.5V、耐电流大于0.5A。

7.根据权利要求6所述的一种改善MOSFET振铃电源效率的方法，其特征在于，二极管D2的正向导通电压满足以下选择标准：在满足电路导通要求的情况下，二极管D2的正向导通电压越小越好。

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