简 介： 文章摘要：
针对高速MOS半桥电路中的二次导通现象进行实验分析，发现TPS28225驱动的下桥臂栅极信号出现多次截止问题。通过调整输入信号幅度（3.3V至7V）验证与驱动芯片输入无关，测量栅极电阻前后波形表明异常源自TPS28225输出。降低半桥工作电压至8V（与芯片供电相同）时现象消失，推测自举电容耦合导致上桥臂信号受下桥臂异常影响。实验表明该现象与TPS28225的驱动特性相关，但数据手册未明确限制工作电压范围，需进一步研究其自适应死区机制与高电压工况的兼容性。（150字）

关键词： TPS28225，下管二次截止

• 测量半桥波形：重新布线之后的波形
• 测试TPS28225电路布局对于电路信号的影响
• 半边桥中的奇怪的二次导通
• 半桥下管二次截止的问题：修改栅极电阻解决办法

 

01 二次导通

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一、高速半桥

  这个电路板几乎让我体验了高速MOS 半桥中的所有的神秘感觉。  基于前面的调试结果，  这次改版除了将TPS28225 的使能端使用了20k欧姆的上拉电阻之外，  最终要的一点，  就是将原来的桥臂中间线的走向进行了改动。 但是这还是与传统上下桥臂的布局不一样。  测试此时半桥的工作波形，  现在上下桥臂的MOS管栅极电阻都使用10欧姆。  可以看到在改动之后， 已经彻底消除了原来的震荡现象。 这是一个好事。 最上面是 TPS28225 的输入脉冲， 下面两条分别是上管和下管栅极波形。 在这里， 还是出现了奇怪的情况。 那就是栅极电出现了二次导通和截止的现象。  下面， 还是通过一些实验， 来检查一下， 这个现象究竟来自于哪里。 虽然 依靠增加栅极电阻能够减弱这种现象， 但现在还是无法确切验证这二次导通和截止波形究竟来源自哪里。

▲ 图1.1.1 栅极电阻为10欧姆情况下上桥臂和下桥臂波形

二、改变条件

  由于使用的是TPS28225 半桥驱动芯片， 它具有所谓的自适应死区特性。 这个特性现在为止我对其工作机制还是没有能够进行确认。 现在， 增加输入信号的幅度， 从前面的3.3V 提升到5V， 可以看到半桥MOS管栅极波形没有变化。  将输入信号的幅度改为7V， 波形几乎没有改变。 所以， 对于前面所产生的二次导通截止现象可以说与TPS28225的输入的幅度没有关系。

▲ 图1.2.1 输入信号为5V的时候对应的波形

▲ 图1.2.2 输入信号为7V时对应的波形

  针对MOS栅极信号的这种二次导通，  很多理论都是指向因为MOS管的寄生电容所带来的影响， 大部人猜测是 弥勒电容 引起栅极信号畸变。 下面， 将测量点从栅极电阻后面移动到前面，  也就是更加靠近驱动芯片TPS28225的输出端，  这样， 就可以对比这种信号的产生究竟是来源自MOS管， 还是 TPS28225。  移动探针，  对比电阻前后的波形，   查看是否信号有变化。   测量结果显示， 上管栅极波形基本上没有变化， 但是下管栅极电压波形有了变化。  对应的波形上下沿更加陡峭。 这应该说明， 栅极中出现的二次导通和截止的现象应该来自于 TPS28225 。

▲ 图1.2.3 栅极电阻前面的波形

  下面，  同时测量半桥中间电压与上桥臂栅极信号。  可以看到， 这两个电压波形是相似的。  特别是， 半桥中间的这个电压增加， 应该是因为下桥臂MOS栅极电压出现的二次截止引起的变化。  这个变化影响到上桥臂的栅极电压信号。  从原理图上来看，  半桥中间电压， 也就输出电压，  通过TPS28225的自举电容， 重新耦合到上桥臂的栅极电压 。   至此， 我们可以知道， 所有的现象都应该是由TPS28225的下半桥驱动信号出现的二次截止现象引起的。  那么问题来了， 为何 TPS28225 的下管输出信号会出现二次截止， 甚至三次截止呢？

  从现在的测试结果来看，  TPS28225 输入信号的截止，  会引起上桥臂首先截止。 经过一段死区时间之后， 下桥臂导通。   但是，后面为何下桥臂又出现了两次截止过程呢？   这个问题实在是太令人感到奇怪了。 在昨天实验中， 将MOS管的栅极电阻增加到 20欧姆， 30欧姆， 可以减少一次下管的截止， 但仍然无法彻底的消除它。

三、工作电压

  将半桥的工作电压从24V调整到12V。  令人感到奇怪的是， 居然下桥臂栅极信号从三次截止改变到二次截止了。 将半桥的工作电压在24V与12V之间改变， 可以看到下管栅极波形的变化。 当工作电压减小到8V， 也就是与 TPS28225 的工作电压相同的时候， 下管就不会出现二次导通了。  这个现象似乎告诉我们一些新的线索。 这个半桥中出现的奇怪现象应该来自于 TPS28225 的特性。  

▲ 图1.3.1 半桥工作电压修改为8V

  从原理图上来看，  当MOS半桥的工作电压下降到8V，   通过自举电容的作用，   BOOT 管脚最大电压可以上升到16V。 如果再上升， 似乎就会引起下桥臂的二次截止，或者三次截止了。

四、TSP28225

  这颗TPS28225芯片来自于TI公司，  它可以驱动半桥的工作电压可以达到27V。 并没有限制必须在8V以下。  这个数据手册也翻看了很多次。  它内部集成了从VDDA 到BOOT之间的自举二极管。  可以在半桥输出低电平的时候给自举电容充电。  充电电压为8V。  当半桥输出高电平的时候， 自举电容会给上桥臂提供超过工作电压8V的驱动电压。  数据手册中给出了参考电路。  在它的自举回路中，  自举电容使用的为 0.22微法， 现在调试电路中使用的是0.1微法，  串联的电阻R32为0欧姆， 这两个器件参数应该不会对TPS28225的工作有太多的影响。  这个电路负载为 0.12微亨的电感。  他的下桥臂使用了两个MOS管进行了并联， 应该是为了减少下桥臂进行同步整流时的导通电阻。 提高电路工作效率。  但是，  仔细看，  两个下桥臂都并联了一个 1nF的电容， 这是现在调试电路中没有并联的。 是否就是这个原因造成的现在的现象呢？

五、修改电路

  下面，  根据数据手册中给定的方案， 在半桥输出对地之间增加一个 1nF 的电容。  串联的2欧姆的电阻可以先不用焊接。  电路板上，  正好有一个距离地线比较近的线路。  下面焊接一个1nF的电容。  重新进行测试，  但半桥的工作电压重新调整为24V。  可以看到， 下管的栅极电压明显得到了改善。 原本有三次截止的情况， 现在就变成了一次半了。  上管的过冲也明显减弱了。  下管还残存着微弱的二次截止的情况。

  根据上桥臂的波形，  在1000pF的情况下，  还是存在着上冲的电压。  那很好办， 一个直观的想法， 就是将 原来的1000pF的电容， 修改成 2000pF， 现在是在 原来的基础上， 又重新并联一个1000pF的电容。  可是情况变得更糟糕了。  重新将并联的电容去掉， 波形恢复了。 是否增加电容的方向错了？  将1000pF的电容修改为 470pF， 减小电容之后，下管重新出现了二次截止现象。  看来， 这个 1000pF的电容还真的无法改变。 这实在令人感到既惊喜又意外。

  在TPS28225的参考电路中，  它所使用的自举电容为 0.22uF，  下面， 将电路中的自举电容提高到 1uF，  看是否对TPS28225输出波形有影响。  从测量结果来看， 输出波形没有太大的影响。

▲ 图1.5.1 自举电容为1uF对应的波形

  将半桥的工作电压下降到16V， 会看到下管的二次截止变得更加明显了。  如果下降到12V， 又出现了三次截止。  半桥电压升高到27V， 下管二次截止情况和24V相似。 这些现象还是令我感到困惑。

六、最后的修改

  下面， 结合昨天的调试经验，  将两个MOS管的栅极电阻，  从10欧姆， 改动到 20欧姆。  保留负载电感上的 1000pF， 测量现在的电路波形。  果然， 两种措施相加之后， 最终问题得到了解决。 这是现在为止我看到的最漂亮的波形了。  问题是否解决了呢，  现在还不得而知， 有可能只是被隐藏了起来。 这是因为最终并没有给这些现象进行理论上的解释。

 

※ 总  结 ※

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  本文继续测量了高速半桥驱动信号的问题。  主要是TPS28225下管栅极信号中，  会出现二次截止的情况。 虽然通过增加负载并联1000pF的电容， 以及增加栅极电阻， 问题得以解决。 但我相信这只是将问题进行了隐藏。 实际上并没有解决。  现在， 看到电路的布局， 的确还是存在着问题。  原本是为了解决功率回路的问题， 但是， 上下两个功率管还是拧着了。 造成上下两个回路的栅极信号有了交叉。 后面， 计划将这个电路重新布局，  将功率管上下的位置还是反转回来， 这样便可以彻底解决电路中的问题。

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■ 相关文献链接:

• 测量半桥波形：重新布线之后的波形-CSDN博客
• 测试TPS28225电路布局对于电路信号的影响-CSDN博客
• 半边桥中的奇怪的二次导通
• 半桥下管二次截止的问题：修改栅极电阻解决办法-CSDN博客

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 栅极电阻为10欧姆情况下上桥臂和下桥臂波形
• 图1.2.1 输入信号为5V的时候对应的波形
• 图1.2.2 输入信号为7V时对应的波形
• 图1.2.3 栅极电阻前面的波形
• 图1.3.1 半桥工作电压修改为8V
• 图1.5.1 自举电容为1uF对应的波形