طراحی مدار بوت استرپ- بخش ۱
یک طراح الکترونیک قدرت برای طراحی مدارهای سوئیچینگ مبتنی بر تکنیک بوت استرپ، تنها به انتخاب یک گیت درایو مناسب نباید اتکا کند و باید بتواند مدار بوت استرپ و PCB آن را به نحو مناسبی طراحی کند.
تکنیک بوت استرپ یکی از تکنیک های رایج در درایو کلیدهای بالای یک ساق است. شکل زیر را درنظر بگیرید، برای درایو کردن کلید بالا بایستی یک ولتاژی نسبت به سورس کلید بالا بر روی گیت قرار گیرد. با استفاده از تکنیک بوت استرپ که مدار آن متشکل از یک خازن، دیود و مقاومت است، میتوان کلید بالای ساق را درایو کرد
خازن بوت استرپ، CB، در شکل زیر نشان داده شده، زمانی که درایور سمت پایین فعال است و کلید پایین وصل است، شارژ می شود، سپس وقتی فرمان وصل شدن کلید بالا می آید، انرژی ذخیره شده در خازن جهت درایو کلید بالا استفاده میشود و کلید را روشن میکند. در نگاه اول، بوت استرپ به عنوان یک مدار ساده و کم هزینه به نظر می رسد که فقط از دیود D1 و خازن CB (و گاهی اوقات مقاومت RB) تشکیل شده است. اما در زیر این نمای فروتن، چالشهای طراحی بالقوه ای نهفته است که باید به آنها توجه داشت. این پست کاربردی در مورد عملکرد و طراحی مدار بوت استرپ که در شکل زیر نشان داده شده است بحث میکند و روشی برای طراحی مدار بوت استرپ ارائه میدهد.
عملکرد مدار بوت استرپ
عملکرد مدار بوت استرپ ساده است: خازن CB در هنگامی که کلید Q2 روشن و Q1 خاموش است شارژ می شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. در طول این مدت، جریان شارژ از منبع VDD به سمت گیت درایو جریان می یابد. مسیر این جریان از منبع VDDA و از مسیر مقاومت RB، دیود D1، خازن CB و کلید Q2 به زمین بسته میشود.
همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در پایان مدت زمانی که کلید پایین روشن است، کلید پایین Q2 خاموش و Q1 روشن می شود. در این حالت ولتاژ سورس کلید Q1 (و پایه GNDA گیت درایو) به سرعت به سطح ولتاژ پایه درین کلید Q1، افزایش می یابد. ولتاژ در VDDA برابر میشود با ولتاژ سورس کلید Q1 به اضافه ولتاژ روی خازن CB، که تقریباً تا حدود VDD – 0.7 V شارژ شده است. بنابراین، با افزایش ولتاژ پایه سورس کلید Q1 (و GNDA)، دیود D1 در بایاس معکوس قرار می گیرد و در این حالت عملا خازن CB از منبع تغذیه VDD جدا میشود و امکان درایو کلید بالا فراهم میشود. با بایاس معکوس D1، خازن CB اکنون ولتاژ تغذیه VDD–۰٫۷V را برای VDDA فراهم می کند و خازن CB تمام جریان مورد نیاز برای حفظ عملکرد درایور سمت بالا را در تمام مدت زمان خاموشی کلید Q2 تامین میکند.
شکل زیر یک شکل موج معمولی برای ولتاژ دو سر خازن CB را نشان می دهد. هنگامی که کلید Q2 روشن است، ولتاژ روی خازن افزایش می یابد که به این مدت زمان پریود شارژ شدن گفته میشود. پایان پریود شارژ شدن با dV/dt منفی زیاد دنبال می شود، زیرا جریان مورد نیاز برای VOA برای شارژ خازن گیت Q1 باید از طریق ورودی منبع تغذیه VDDA از خازن CB تامین شود. مقدار کل شارژ گیت، QG، در دیتاشیت کلید Q1 داده میشود. پس از اینکه گیت Q1 به طور کامل شارژ شد، جریان فقط برای بایاس VDDA درایور گیت و جریان مورد نیاز برای حفظ شارژ در گیت Q1 مورد نیاز است. بنابراین، ولتاژ CB بسیار کندتر کاهش می یابد. مقدار بایاس VDDA در دیتاشیت گیت درایور به عنوان جریان خاموشی منبع خروجی (Output Supply Quiescent Current) یافت می شود.
طراحی مدار بوت استرپ
در حالی که مدار بوت استرپ یک مدار ساده است، بوت استرپ اگر به درستی طراحی نشود می تواند مشکل ساز شود. به ویژه، باید مراقب بود که از ریپل کم ولتاژ خازن CB اطمینان حاصل شود تا از عملکرد مدار UVLO گیت درایو (مداری که ولتاژ گیت از حدی کمتر شود گیت درایو را خاموش میکند)، که می تواند عملکرد مبدل را متوقف کند، جلوگیری شود. علاوه بر این، دوره تجدید باید برای شارژ کامل خازن CB کافی باشد. محدودیت ذاتی مدار بوت استرپ درایو کلید سمت بالا، مربوط به زمان مورد نیاز برای شارژ کافی خازن CB است. برخی از توپولوژیهای قدرت ممکن است دارای دیوتی سایکل یا فرکانس بسیار بالایی برای پشتیبانی از پریود تجدید (شارژ خازن CB) باشند، یا ممکن است مدار اضافی داشته باشند که باعث میشود بار در مسیر شارژ قرار بگیرد. برای آن کاربردها، ممکن است به یک مدار پمپ شارژ (به جای یک بوت استرپ) نیاز باشد.
یک روند درست برای طراحی بوت استرپ معمولی ابتدا کل شارژی را که خازن CB باید در مدت زمانیکه کلید بالا روشن است (QCB) و باید تحویل دهد را تعیین می کند. با شناخته شدن مقدار شارژ QCB، مقدار CB بر اساس دامنه ریپل ولتاژ مجاز و در بدترین شرایط زمانبندی که خازن میتواند شارژ شود (کمترین زمان) محاسبه میشود. توجه داشته باشید که در شکل زیر فقط از زمان بندی کلید سمت پایین Q2 استفاده شده است و از کلید سمت بالا Q1 استفاده نمی شود. این کار به این دلیل انجام می شود که زمان روشن بودن کلیئ Q2 نشان دهنده زمان ارائه شده برای شارژ مجدد خازن CB است و زمانی که Q2 خاموش است نشان دهنده مدت زمانی است که خازن CB باید شارژ موردنیاز برای روشن کردن کلید Q1 و همچنین حفظ منبع تغذیه برای درایو گیت کلید بالا را فراهم کند. با استفاده از این زمانبندی، هر زمان مرده (dead-time) که در درایور استفاده شده یا در سیگنالهای ورودی تعبیه شده است را در نظر میگیریم.
مراحل طراحی
طراحی با محاسبه حداقل و حداکثر زمان خاموشی و حداقل زمان روشن ماسفت سمت پایین Q2 آغاز می شود. این کار اجازه می دهد تا زمان مرده برنامه ریزی شده در محاسبات گنجانده شود همانطور که در شکل قبل زمان بندی Q2 توضیح داده شده است.
از آنجایی که زمان مرده در درایور به صورت تاخیر بین لبه پایین رونده یک کانال و لبه بالارونده کانال دیگر اجرا می شود، زمان روشن Q2 را می توان به صورت زیر بدست آورد:
زمانی که دیوتی سایکل D به حداکثر مقدار خود برسد، زمان روشن، tH، به حداقل می رسد:
به طور مشابه، زمان خاموشی، TL، برابر میشود با:
که برای آن حداکثر و حداقل به صورت زیر داده می شود:
در مرحله بعد، کل شارژی (QCB) که باید توسط خازن بوت استرپ، CB، در حداکثر دیوتی سایکل (حداکثر زمان خاموشی Q2) تحویل داده شود، پیدا می شود. دو مولفه اصلی برای این شارژ وجود دارد: جریان بایاس تغذیه VDDA یعنی IB و شارژ گیت کلید Q1 یعنی QG. سایر منابع نشتی مانند گیت Q1 و جریان نشتی D1 در مقایسه با این دو مولفه ناچیز هستند و صفر فرض می شوند.
QCB با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود:
مقدار خازن CB توسط حداکثر ریپل مجاز (ΔVCB) تعیین می شود و با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود.
با یک مقدار استاندارد برای خازن CB، اکنون می توان مقدار مقاومت بوت استرپ RB را محاسبه کرد. هدف RB محدود کردن جریان هجومی در اولین سیکل در هنگام راهاندازی است. همچنین می توان از آن برای محافظت از ایزولاسیون در صورت خرابی فاجعه بار آیسی گیت درایو استفاده کرد. ایده این است که مقاومتی با مقدار کافی انتخاب شود تا محدودیت جریان را در شرایط راهاندازی و در صورت خرابی درایور فراهم کند، بدون اینکه خیلی بزرگ باشد تا از تجدید (شارژ مجدد) مناسب شارژ خازن CB در بدترین حالت Q2 به موقع جلوگیری کند.
ترکیب RB و CB یک مدار RC را تشکیل می دهد که دارای ثابت زمانی RBxCB است. به عنوان نقطه شروع، پیشنهاد می شود که مقاومت RB به گونه ای انتخاب شود که tHmin حداقل سه برابر RBxCB باشد.
با این اطلاعات، RB را می توان با استفاده از معادله زیر محاسبه کرد.
مقدار شارژ، QCB، باید در حداقل زمانی که کلید پایین روشن است یعنی، tHMIN، به خازن CB منتقل شود. این معادل حداکثر جریان متوسط در طول tLMIN است.
این جریان نشاندهنده جریان عبوری از دیود بوت استرپ در طول هر پریود شارژ در حالت ماندگار است. با این حال، جریان پیک عبوری از دیود در شرایط راه اندازی زمانی اتفاق می افتد که خازن CB در ابتدا به طور کامل تخلیه شود. این رابطه به شکل زیر داده شده است:
دیود انتخاب شده باید بتواند حداکثر جریان متوسط ارائه شده توسط معادله ۷ و همچنین حداکثر جریان از معادله ۸ را برای دوره های زمانی کوتاه در شرایط راه اندازی تحمل کند.
علاوه بر ریتینگ جریان فوروارد، حداکثر مشخصات ولتاژ معکوس تکرارشونده (repetitive reverse voltage) دیود بوت استرپ باید حداقل به اندازه ولتاژ درین ماسفت سمت بالا منهای ولتاژ سورس ماسفت سمت پایین باشد. همچنین، دیود باید بتواند با سرعت کافی از جریان هدایتی فوروارد به جریان بلاکینگ معکوس سوئیچ کند تا از وارد شدن جریان معکوس بیش از حد به منبع تغذیه درایور و ایجاد آسیب جلوگیری کند. علاوه بر این، جریان نشتی معکوس دیود باید در تمام دماهای عملیاتی به اندازه کافی کم باشد تا از همین موضوع جلوگیری شود. در بخش بعدی این پست یک مثال طراحی تشریح خواهد شد.
نویسنده: کوروش خلج