回复：Buck变换器上管MOSFET开关速度的分析及提高
目前，Buck变换器在电脑主板、通信电源、手机等电子产品中的应用越来越广泛。随着全世界节能减排的发展，Buck变换器的效率成为评价电源系统性能优劣及可靠性的最重要指标。Buck电路的效率跟很多因素有关，例如电感线圈的DCR，电感的磁芯材料，上管(HS)和下管(LS)MOSFET，PCB layout等。为了得到较高的效率，通常我们需要尽可能的提高HS的开关速度以降低其开关损耗，同时需要尽可能的选择具有较小Rds(on)的LS以降低其导通损耗。
本文将通过功率MOSFET管的工作特性，系统的分析如何选择具有较快开关速度的上管，同时，在给定上管的条件下，从外围元件选择和PCB布线的角度分析如何进一步优化上管的开关速度，从而为设计工程师提供一些依据，来找到系统设计的一些问题，提高电子系统的效率及可靠性。
1. Buck变换器及损耗分析
图一是基本的同步整流Buck电路，Q1是HS MOSFET，Q4是LS MOSFET, L1为功率电感。这里我们只考虑MOSFET的损耗，其主要有如下几种:
1.上管的开关损耗；2.上管的导通损耗；3.下管的开关损耗；4.下管的导通损耗；5.死区时间内二极管的导通损耗；6.下管二极管的反向恢复损耗；7.上下管Coss的损耗；8.上下管的驱动损耗
图1：Buck Topology
HS的开关损耗在HS和LS总损耗中占据很高的比例。如下图为VIN=12V, VOUT=1V, 工作频率600KHz下各种损耗所占比重分布，可以看出，上管的开 关损耗在上下管的总损耗中占比35%，在上管的总损耗中，上管的开关损耗占比接近75%。所以，降低上管的开关损耗，对于系统的设计来说尤为重要。由于上管工作在硬开关状态，只有提高开关速度，才能降低其开关损耗以提高效率。下面，我们重点分析上管的开关速度跟MOSFET的哪些参数有关，以及如果提高开关速度。
图2：Figure 2 Buck变换器HS和L S损耗分布
2.影响上管开关速度的参数
HS Rg的大小会影响驱动电流Ig，进而影响上管的开关速度。如下图所示为当HS Rg从 1欧姆到10欧姆变化时，HS dv/dt会变慢。所以较小的Rg可以获得较快的开关速度。
图3：Figure 3 HS Rg参数扫描分析
Crss即米勒电容，较大的Crss意味着在MOSFET开关的时候，米勒平台就会更长，从而开关速度就会越慢。所以，我们在设计的时候，尽量选择Crss低的上管来提高开关速度。
图4：Figure 4 HS Crss参数扫描分析
HS驱动回路的PCB layout对其开关速度会产生很大的影响。举一个例子，如下同步Buck电路，Q1为PairFET，型号为AOE6982T，驱动IC为ISL6207。驱动IC的pin8(phase)为上管的sense pin，该pin的连接位置对驱动回路会产生很大影响。为了验证这一影响，我们设计两个PCB: PCB 1#：驱动IC pin8连接至A点(上管的源极)；PCB 2#：驱动IC pin8连接至B点(电感L1的左端)。
图5：Figure 5 同步Buck电路
图6：Figure 6 PCB 1#：驱动IC pin8连接至A点(上管的源极)
图7：Figure 7 PCB 2#：驱动IC pin8连接至B点
在同样的条件(两个板子使用同一颗MOSFET，同一个电感)下，测试两个板子的效率，得到如下效率曲线。测试条件如下，VIN=12V，VOUT=1V，开关频率=600KHz, L=250nH。 由曲线可知，在Io=25A时，PCB 1#的效率比PCB 2#高出0.7%， 也就是说，驱动Ic的pin8连接到上管的源极可以得到较高的效率。
图8：Figure 8 PCB 1#和2#效率对比
分析：上管的驱动分为两种类型，一种称为共源电感驱动(common source)，另一种称为非共源电感驱动（non - common source）。所谓common source就是指上管寄生的源极电感（source inductance）和 PCB走线电感等都被包括在驱动回路里面、如下图，上管驱动的地(HS sense)连接在B点。非共源电感驱动是指如上所说的电感不被包括在驱动回路里面，即驱动回路的地( HS sense)连接在A点。
当采用共源电感驱动方式时，驱动回路里面串联了一个电感LHS，该电感会减慢上管的开关速度。当上管开通时，流过漏源极的电流快速增加，该电流会在LHS上面感应出一个上正下负的电压LHS*di/dt，该电压会减慢Vgs的爬升速度，从而减慢上管的开通速度。当上管关闭时，流过漏源的电流快速减小，该电流会在LHS上面感应出一个上负下正的电压，该电压会感慢Vgs下降的速度，从而减慢上管的关闭速度。所以，采用共源电感驱动时，LHS会减慢上管的开通和关闭速度，增加了开关损耗，损失了效率。
图9：Figure 9 HS驱动回路模型
(4)环路电感(loop inductance)
所谓环路电感，是指整个功率环路的所有电感值的和。如Figure 9所示，L1, LHS和LLS的和即为环路电感。在下管关断，上管开通的过程中，当上管完全导通(Vds接近于零)后，phase点的电压Vphase=Vin-(L1+LHS)*di/dt，此时环路电感的大小将控制phase点电压的上升斜率dv/dt。如Figure10, 环路电感较小时，phase点电压的dv/dt较大，上管的开通速度较快，开通损耗较小。
图10：Figure 10 环路电感1.8nH时的开关波形
图11：Figure 11 环路电感2.8nH时的开关波形
3.结论
(1 )驱动电阻越小，HS的开关速度越快。
(2)Crss越小，HS的开关速度越快。
(3)在PCB layout时， HS驱动的地(HS sense)要从最靠近源极引脚的地方引出以减小驱动回路里的电感，提高HS的开关速度。
(4)较小的环路电感，HS可以得到较快的开关速度，在PCB layout时要尤其注意，尽量减小环路电感。
