01橋臂直通與死區(qū)時間

在當(dāng)今復(fù)雜而精密的電子技術(shù)領(lǐng)域，開關(guān)電源作為眾多電子設(shè)備的核心供電組件，其性能與穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，在實(shí)際的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用過程中，我們時常會面臨一個棘手的問題——開關(guān)電源中橋臂直通現(xiàn)象。這一問題不僅關(guān)乎電源本身的安全與可靠性，還可能對整個電子設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

我們以一個簡化的同步Buck變換電路來說明橋臂直通問題。

以上橋臂電路包含了兩個晶體管（開關(guān)管）Q1和Q2，我們稱為上管和下管，有時也用High Side高側(cè)和Low Side低側(cè)來指代橋臂的上、下部分。實(shí)際橋臂電路中的晶體管可能是MOSFET、IGBT或新型的GaN和SiC等器件。

在正常運(yùn)行時，兩個開關(guān)管依次輪流開通和關(guān)斷。如果兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通將導(dǎo)致電流上升，此時的電流將僅僅由環(huán)路的雜散電感限制。橋臂直通會導(dǎo)致大電流，引起不必要的額外損耗，甚至可能損壞器件和整個設(shè)備?。

當(dāng)然，沒有誰故意使兩個開關(guān)管同時開通，但是由于晶體管并不是理想開關(guān)器件，其開通時間和關(guān)斷時間不是嚴(yán)格一致的。為了避免橋臂直通，通常建議在控制策略中加入所謂的互鎖延時時間，更普遍的叫法是死區(qū)時間（Dead Time）。

有了這個額外的死區(qū)，其中一個晶體管要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時間結(jié)束時開通另外一個晶體管，這樣，就能夠避免由開通時間和關(guān)斷時間不對稱造成的直通現(xiàn)象。如上圖的td1是下管關(guān)斷后，上管開通前的死區(qū)時間；td2則是上管關(guān)斷后，下管開通前的死區(qū)時間。

死區(qū)時間對系統(tǒng)性能有顯著影響。過短的死區(qū)時間可能導(dǎo)致兩個晶體管同時開啟，引起電流沖擊，增加功率器件的損壞風(fēng)險；而過長的死區(qū)時間則會導(dǎo)致輸出電流波形變形，降低系統(tǒng)的效率?。因此，準(zhǔn)確測量和控制死區(qū)時間對于電源系統(tǒng)的性能和效率至關(guān)重要?。

02死區(qū)時間的理論計(jì)算

如何確定一個合理的死區(qū)時間？一方面讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)讓它盡可能地小，以確保開關(guān)電源系統(tǒng)能正常工作。因此這里的一個很大的挑戰(zhàn)就是如何為一個專用的晶體管如IGBT和驅(qū)動電路找出合適的死區(qū)時間。

通常電子工程師采用以下理論公式計(jì)算和控制死區(qū)時間，其中：

■td_off_max：晶體管的最大關(guān)斷延遲時間

■td_on_min：集體管的最小開通延遲時間

■tpdd_max：驅(qū)動信號的最大傳輸延遲時間

■tpdd_min：驅(qū)動信號的最小傳輸延遲時間

■1.2：安全裕度系數(shù)

以上公式中，第一項(xiàng)td_off_max – td_on_min 是最大的關(guān)斷延遲時間與最小的開通延遲時間的差值。它描述了IGBT器件本身的特性，且與所使用的柵極電阻有關(guān)，電阻越大延遲越長。下降和上升時間也有影響，但和延遲時間比較起來小得多，所以這里沒有考慮。第二項(xiàng)tpdd_max – tpdd_min是由驅(qū)動電路決定的信號傳輸時間的差值。該參數(shù)通?？稍?a target="_blank">驅(qū)動器制造商提供的數(shù)據(jù)表中查到，對于基于光耦合器的驅(qū)動器，該參數(shù)值通常很大。

理論上死區(qū)時間可以由數(shù)據(jù)手冊提供的典型值來計(jì)算得到，再簡單乘以來自現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的安全裕度系數(shù)（如以上公式中的數(shù)字1.2）。但因?yàn)镮GBT器件和驅(qū)動電路的數(shù)據(jù)手冊僅給出標(biāo)準(zhǔn)工況下的典型值，我們還是需要通過示波器的測試以獲得更貼近實(shí)際工況的死區(qū)時間，以確定設(shè)計(jì)的死區(qū)時間是否合適。

03如何用示波器測量死區(qū)時間

開關(guān)電源的可靠性測試中，必須對所有極端情況進(jìn)行穩(wěn)健的測試，以確保始終滿足重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。工程師必須考慮到負(fù)載變化、輸入電壓變化、溫度變化和DC link直流母線上的干擾（不平衡的三相逆變器可能引起干擾）。

可靠性測試的另一個考慮因素是示波器的盲區(qū)時間，即信號采集之間的時間窗口，示波器在此期間無法執(zhí)行測量。擁有更快波形捕獲率的數(shù)字觸發(fā)架構(gòu)示波器，可以捕捉更多瞬態(tài)情況。

工程師通過將死區(qū)時間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為示波器的觸發(fā)條件，來檢驗(yàn)各種極端情況下電路是否存在橋臂直通隱患。

01 示波器的A-B-R觸發(fā)簡介

在電子測量領(lǐng)域，示波器的觸發(fā)功能如同捕捉信號特征的“精準(zhǔn)閘門”，其核心目標(biāo)是將動態(tài)信號中用戶關(guān)心的特定事件穩(wěn)定呈現(xiàn)。

以邊沿觸發(fā)這一基礎(chǔ)模式為例，它通過識別信號上升沿或下降沿的電壓閾值，實(shí)現(xiàn)了對單次脈沖、周期性信號的有效捕獲。然而，面對電路中的多事件序列、邏輯關(guān)聯(lián)信號等復(fù)雜場景，單次事件觸發(fā)的局限性逐漸顯現(xiàn)——它無法表征事件間的時序依賴關(guān)系，更難以排除干擾信號的誤觸發(fā)。

A-B-R觸發(fā)（A事件、B事件與復(fù)位條件組合觸發(fā)）正是為解決這一技術(shù)瓶頸而誕生的高級觸發(fā)模式。該機(jī)制允許用戶定義兩個獨(dú)立觸發(fā)事件（A和B）及復(fù)位條件（R），形成“當(dāng)A事件發(fā)生后，持續(xù)監(jiān)測B事件是否滿足條件，且在未觸發(fā)R復(fù)位時完成捕獲”的邏輯鏈路。

A-B-R觸發(fā)不僅將示波器從單一事件檢測升級為信號序列分析，更為開關(guān)電源、高速數(shù)字系統(tǒng)、射頻通信等領(lǐng)域的故障診斷提供了技術(shù)支撐。

02 在特定的死區(qū)時間進(jìn)行觸發(fā)

假如某開關(guān)電源電路沒有通過EMI測試，整改中可能會增加開關(guān)管的柵極電阻，同時Vgs的上升和下降時間也會相應(yīng)增加。

如上圖所示，上升/下降時間的變化會導(dǎo)致死區(qū)時間(tD)隨之變化，即在特定電壓（例如閾值電壓）下高邊和低邊柵極之間的延遲變化。前面章節(jié)中提到死區(qū)時間太大時輸出電流波形會變形，降低系統(tǒng)的效率。我們需要查看電路在所有條件下（例如溫度、輸入電壓和負(fù)載變化）是否有超過范圍的死區(qū)。

以上是采用信號發(fā)生器來模擬開關(guān)電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了在特定的死區(qū)時間觸發(fā)，我們按以下描述設(shè)置A-B-R觸發(fā)（Normal正常模式）：

A觸發(fā)事件設(shè)為通道C1的下降沿，觸發(fā)電平2V。A觸發(fā)事件之后，延遲500ns再啟動B觸發(fā)事件的等待。

B觸發(fā)事件設(shè)為通道C2的上升沿，觸發(fā)電平2V。

R觸發(fā)（重置）設(shè)為A觸發(fā)事件發(fā)生后，如果540 ns內(nèi)沒有發(fā)生B觸發(fā)事件，則復(fù)位重置，并重新啟動等待A觸發(fā)事件。

以上觸發(fā)設(shè)置中，可觸發(fā)的死區(qū)寬度位于是500ns~540ns之間。我們最終通過“正?！庇|發(fā)模式，捕獲到以下這幀波形，通過額外的光標(biāo)測量，我們看到C1上管黃色波形和C2下管綠色波形在2V閾值電平處，具有510ns的延遲，即當(dāng)前這個瞬間開關(guān)電源的死區(qū)時間為510ns。

如果有波形的死區(qū)時間為550ns，示波器是不會觸發(fā)的，因?yàn)樵诘?40ns時，觸發(fā)系統(tǒng)啟動了復(fù)位操作，又重新從A觸發(fā)事件開始等待觸發(fā)了。

03 高負(fù)載時的高邊Vgs毛刺觸發(fā)

另一個可靠性測試場景下，開啟下管開關(guān)時，上管開關(guān)上通常會出現(xiàn)毛刺，這種毛刺的高度和負(fù)載有關(guān)系。毛刺電壓如果在設(shè)計(jì)的死區(qū)時間之內(nèi)，超過閾值，將會導(dǎo)致橋臂直通。在這種情況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是最大可容忍毛刺電壓。

如上圖所示，我們還是采用信號發(fā)生器來模擬開關(guān)電源的兩條波形：

黃色：C1通道，上管Vgs

綠色：C2通道，下管Vgs

為了檢驗(yàn)特定死區(qū)內(nèi)上管毛刺電壓是否超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我們按以下描述設(shè)置A-B-R觸發(fā)（Normal正常模式）：

A觸發(fā)事件設(shè)為通道C2的下降沿，觸發(fā)電平2V。A觸發(fā)事件后，不做任何延遲，立即啟動B觸發(fā)事件的等待。

B觸發(fā)事件設(shè)為通道C1的毛刺觸發(fā)，在觸發(fā)電平1.5V處，如果毛刺寬度大于50ns，則B觸發(fā)事件成立。

R觸發(fā)（重置）設(shè)為A觸發(fā)事件發(fā)生后，如果200ns內(nèi)沒有發(fā)生B觸發(fā)事件，則復(fù)位重置，并重新啟動等待A觸發(fā)事件。

本例中，我們通過“正?！庇|發(fā)模式，捕獲到以下這幀波形。C2綠色下管波形的下降沿后200ns內(nèi)， C1黃色上管波形出現(xiàn)了一個毛刺，此毛刺能夠觸發(fā)是因?yàn)樵?.5V觸發(fā)電平處，該毛刺寬度超過了設(shè)定的50ns。

實(shí)際測試中，我們可以逐步提高B觸發(fā)事件中的毛刺觸發(fā)電平，通過示波器是否觸發(fā)成功，來判斷上管毛刺電壓是否超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中既定的最大可容忍毛刺電壓。

04開關(guān)電源測試的儀器推薦

在開關(guān)電源測試領(lǐng)域，構(gòu)建高精度、高可靠性的測量系統(tǒng)是確保設(shè)計(jì)驗(yàn)證與故障診斷效率的核心。推薦采用羅德與施瓦茨公司的RTO64、MXO5、MXO4系列示波器，這三個系列都具備完善的A-B-R觸發(fā)功能，搭配RT-ZHDxx高壓差分探頭、RT-ZCxx電流探頭及RT-ZISO光隔離探頭，形成覆蓋信號完整性、功率分析與安全隔離的全維度解決方案。

尤為關(guān)鍵的是RT-ZISO光隔離探頭，其采用光纖供電與信號傳輸技術(shù)，在±60kV共模電壓下仍能提供高達(dá)90dB的共模抑制比（1GHz帶寬），徹底消除地回路干擾對測量結(jié)果的影響。例如在第三代半導(dǎo)體器件測試中，該探頭可將GaN開關(guān)管Vgs/Vds信號的上升時間解析至450ps以下，避免傳統(tǒng)差分探頭因寄生電容引發(fā)的橋臂直通“炸管”風(fēng)險。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。