Abstract

随着座舱处理器SOC的算力越来越强，更多的功能被集成到了一个控制器之中，例如音响功放主机、仪表组、抬头显示（HUD）和环视系统（SVS）等。这也就意味着，座舱的电源系统也有着更加复杂的架构，因此电源的安全和整体电源的效率便显得愈加最重要。

而在电源系统中大量的DCDC承载着几十安培甚至上百安培的电流，因为车载主机座舱系统的安全性和效率是设计师们关心的重点。而对于大电流的同步DCDC来说，“Dead time”死区时间是工程师在选型时不得不考虑的因素。

“死区时间”是什么？

首先我们知道在同步的DCDC拓扑中才存在死区时间的概念，因为非同步的DCDC拓扑使用的是续流二极管，即下图中的S2使用的是二极管，续流二极管的Vf不可避免的带来了功率的损耗，因此为了提高电路效率，同步DCDC的应用越来越广泛。

而同步DCDC则是使用另一个MOS管来代替续流二极管，由控制器来控制关断。由于二极管的单向导电性，非同步DCDC不太会出现上下管同时导通的，发生短路的问题。但是对于同步DCDC来说，由于存在上下管的交替开启关断的过程，一旦上下两个MOS管同时导通，则会存在烧毁MOS的风险，为了避免这种风险的存在，则需要在同步DCDC中引入死区时间的概念，即在死区时间内，上下管都不会导通。下面，以BUCK电路为例，我详细介绍一下死区时间的电路工作。

1. S1导通，S2断开

   上管S1导通时，下管S2关断，回路如图中蓝色实线，电感处于励磁阶段，电源给输出电容和负载供电。

   图 4 S1导通周期
2. S1断开，S2导通
   图 5 S2导通周期

   下管S2管导通时，上管S1关断，回路如图中灰色实线，由电感和输出电容为负载续流供电。

3. Dead time

   如下图，一旦上下管出现同时导通的情况电源会直接接到GND，从而发生短路，短时间极大的电流会直接损毁MOS。

   图 6 Shoot Through回路

因此，当同步DCDC拥有了死区时间，上下管S1和S2的MOS都会断开，续流回路通过S2的体二极管导通，从而保证输出的连续性。

因此我们发现，由于MOSFET的体二极管存在0.7V的导通压降VF，如果死区的时间过长，那么在死区时间导通的过程中，正向偏置的漏电流会不可避免的存在功率的损耗，对效率存在一定的影响，因此在对于效率有较高要求时，往往会选怎并联一个肖特基二极管来降低死区时间内的功率损耗，提高效率。

但是一旦死区时间过短，则会存在两管交替导通的时刻，一管还未正常关闭，而另一管已经导通的问题，从而存在直通的风险。如何保证安全并且能够保证高效的调整死区时间是电路设计中一个非常重要的考虑因素。

图8是LM5123的EVM开关波形，MOS使用的NTMFS5C670NL，V_GS(TH)的范围是1.2(MIN)-2.0V（MAX），因为在V_GS小于1.2V可以认为MOS是完全关断的，正如上图，Td时间内，可以认为是上下MOS均为关断的状态，也就是死区时间。

TI 电源 Dead time 的两种调节方式

TI的电源产品种类繁多，例如LM5170-Q1是一款多相双向电流控制器，被广泛应用在汽车电池升压系统中，它便拥有两种死区时间的配置方式。一种是通过硬件电阻配置来根据计算公式自行选择死区时间，可以根据不同的应用要求灵活的自行配置死区的时间。

另一种则是芯片内置了自适应死区调节的功能，通过检测半桥开关桥臂的一个驱动器实时监控另一个驱动器的输出，只有当另一个驱动器的电压低于特定值，保证MOSFET关闭后才能打开另一个MOSFET，从而在保证不会出现直通的现象的同时，还选择了最合适的死区时间，提高了效率。例如LM51231-Q1的死区时间控制便是应用了该技术，它被广泛应用于汽车外置功放音响系统中，用于为TI的Class D功放供电。下面将详细介绍一下两个死区时间控制。

1. 可编程死区时间

   以LM5170-Q1为例，在升压模式启动期间，为了防止同一半桥臂上的高侧和低侧功率 MOSFET 之间发生击穿，可以通过 DT 引脚选择两种类型的死区时间方案：可编程死区时间或内置自适应死区时间。要对死区时间进行编程，需要在 DT 和 AGND 引脚之间放置一个电阻器 RDT，如图 9所示。图 10 所示的死区时间 tDT 由下面方程确定：

   方程式 1. $t_{DT}=R_{DT}\times 4\frac{ns}{k\mathrm{\Omega }}+16ns$

   请注意，该公式对于 20 ns 至 250 ns 之间的 tDT 编程有效。 当功率 MOSFET 连接到栅极驱动时，其栅极输入电容 CISS 成为栅极驱动输出的负载，HO 和 LO 压摆率降低，导致高侧 MOSFET 和低侧 MOSFET 之间的有效 tDT 降低 。 用户需要评估有效 tDT，以确保其足以防止高侧 MOSFET 和低侧 MOSFET 之间的击穿。

   图 10 使用 DT 引脚进行死区时间编程
   图 11 栅极驱动死区时间
2. 自适应死区时间

   如果想使用自适应死区时间模式时，只需将 DT 引脚连接到 VCC，如图 11 所示，即可激活内置自适应死区时间模式。 自适应死区时间是通过同一半桥开关桥臂的另一个驱动器（LO 或 HO）实时监控一个驱动器的输出（HO 或 LO）来实现的，如图 11 和图 12 所示,通过Adapt Logic模块实时监测驱动器的电压。 仅当一个驱动器的输出电压低于 1.25 V 时，在间隔40ns 后，另一个驱动器才会开始导通，这样既保证了不会发生直通的问题，又最小化了死区时间。提高了效率，但是该方法存在一定的限制，那就是栅极的驱动电阻不能过大，该限制后文会详细介绍。

值得注意的是，在DCDC电路中，工程师往往会在MOSFET的Gate极串联 一个驱动电阻，这会增加MOSFET的导通时间和截止时间，减缓di/dt的变换，其目的就是为了防止MOSFET在开关的过程中产生高频谐波震荡信号，避免产生EMC相关的问题。

但是在LM51231-Q1或者其他使用自适应死区时间设计的芯片时，不建议使用超过0Ω的栅极驱动电阻，因为根据上文所述的原理，是通过检测MOSFET的栅极电压低于1.25V后 ，保证其中一个MOSFET完全关闭后才会开启另一个MOSFET,芯片的检测的点位是图13中的A点，即LO pin的电压，在栅极驱动电阻之前，而非实际作用于MOSFET的GATE的电压。如果使用的大于0Ω的栅极驱动电阻，就有可能会出现下面这种现象：例如，芯片检测LO的pin（A点）电压已经低于1.25V，但是由于栅极驱动电阻的延迟导致，实际MOSFET的Gate电压（B点）并未下降到1.25V以下使下管完全关闭，而此时芯片会控制上管导通，此时会有可能存在两管切换时存在直通风险，此时的大电流可能会损坏MOSFET。所以为了使应用了自适应死区时间控制的芯片稳定的工作，请避免使用过大的栅极驱动电阻以及控制好MOSFET的栅极走线的阻抗。

TI自适应死区产品应用推荐

LM51231-Q1 是TI目前最新的Boost电源控制器产品，它使用TI的自适应死区功能，可以在保证安全的同时最大的提升效率。并且它还可以使用跟踪功能对输出电压进行动态编程，可以对功放输出的监控，使用DSP或者MCU都LM51231-Q1的输出进行动态的调节，从而降低在较低音频信号下的功率损耗。

另外该产品具备Bypass mode，当电源电压大于升压输出时，会进入100%占空比的，驱动高侧的MOSFET导通，消除了对高侧MOSFET体二极管的的导通，降低了体二极管的导通压降的损耗，大大提高了效率。总的来说，它是一款集成了多种技术，最大化提升效率的电源产品。

结语

随着汽车座舱的功能越来越多样，集成化程度的增加，整体效率和损耗的要求又上了一个新的台阶，无论时LM5170-Q1还是LM51231-Q1等众多的TI电源产品，通过自适应死区的功能的设计，帮助座舱系统在安全的前提下，最大的提升了效率，降低损耗。