升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴最小化

問題的描述

圖一（Boost升壓電源）的電路圖展示了由寄生電感及電容所構(gòu)成的升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵環(huán)路，電感及電容分別以LPAR(寄生電感)和CPAR(寄生電容)標(biāo)簽進(jìn)行參考標(biāo)注。兩個(gè)開關(guān)與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感交匯的節(jié)點(diǎn)被稱為開關(guān)節(jié)點(diǎn)。寄生電感和電容通常會(huì)產(chǎn)生互感，并導(dǎo)致開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓在200 MHz+ 的范圍內(nèi)振蕩。如果該振鈴的振幅大于低側(cè)開關(guān)額定電壓的最大絕對(duì)值，將會(huì)損壞開關(guān)。此外，振鈴所產(chǎn)生的傳導(dǎo)輻射和/或的電磁干擾 (EMI) 也會(huì)引發(fā)鄰近的 IC 的問題。

圖 2 展示了升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)曲線，時(shí)間刻度 (time scale) 為 5 ns/div。測(cè)量所使用的示波器及示波器探針具有至少 500 MHz 的帶寬，近似為所估算的 200 MHz 振鈴頻率的 2 倍。示波器探針的接地環(huán)路做了最小化，以避免感應(yīng)拾取(inductive pick-up)造成測(cè)量結(jié)果的失真。由于 VIN= 3.3 V 且 VOUT= 5 V，因此轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的峰值電壓不應(yīng)大于 VOUT+ VDIODE≈5.7 V，但是開關(guān)節(jié)點(diǎn)上振鈴的峰值幅度為 9.8 V，有可能損壞低側(cè)開關(guān)。

在設(shè)計(jì)方面，電源設(shè)計(jì)人員具有多種方法來實(shí)現(xiàn)振鈴的最小化。如果采用控制器，設(shè)計(jì)人員應(yīng)同時(shí)選用具有最小寄生電容的 FET 及二極管，并通過板載布線，最大程度的減小兩個(gè)開關(guān)與電感之間的距離，從而使LPAR2和LPAR3最小化。此外，設(shè)計(jì)人員還可以通過減小 FET 電源引腳與電源接地點(diǎn)或接地層之間的距離來實(shí)現(xiàn)LPAR1的最小化。通過將大輸出電容盡可能地靠近二極管的陰極和接地電源放置，還將使得LPAR4及LPAR5最小化。介于輸出值（0.01 mF – 2.2 mF）和接地電源之間的高頻旁路電容 (COUT-BYP) 來最小化振鈴。在輸出與電源地之間連接0.01 mF – 2.2 mF 的高頻旁通電容[COUT-BYP]也是推薦的方法。

由于電路板的尺寸限制或是由于集成 FET 電源 IC 所具有的內(nèi)部CPAR#、LPAR1、LPAR2及LPAR3，改進(jìn)板載布線的方法不一定可行，因此需要一個(gè)緩沖電路(snubber)——由 RSNUB及 CSNUB組成，從開關(guān)節(jié)點(diǎn)至電源地。該緩沖電路是一個(gè)能量吸收電路，用于消除開關(guān)閉合時(shí)電路寄生電感所引起的電壓毛刺。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，緩沖電路為流經(jīng)電路寄生電感的電流提供一條替代的接地通路，從而抑制了電壓瞬變并降低了寄生電容上的后繼起振鈴。

該應(yīng)用報(bào)告的其余部分逐步講述了在無明顯減少開關(guān)關(guān)斷的上升時(shí)間或降低整體效率的情況下，如何確定緩沖電路元件的大小以抑制振鈴。

在確定了由寄生電感 [LΣPAR#]（總共的寄生電量） 及寄生電容 [CΣPAR#] （總共的寄生電容量）所引起的振鈴頻率（fINIT= 217 MHz）之后（如圖 2 的實(shí)測(cè)波形所示），在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地之間連接適當(dāng)?shù)碾娙輀CADD]，可降低振鈴頻率至?。如圖 3所示，在添加了 300 pF 電容后，振鈴頻率為 113 MHz。

LC 電路的諧振頻率與 LC 乘積的平方根成反比，而現(xiàn)在的電路總電容 [CΣPAR#+ CADD] 是其初始值[或 CΣPAR#= CADD/3] 的 4 倍。這是用于 CSNUB的最小電容值。引起振鈴的總寄生電感可按下式計(jì)算：

整理后，得出

在此例中，LΣPAR# 為 5.4nH。最終，緩沖器電阻的最優(yōu)化值為原始寄生電容 [CΣPAR#= CADD/3 = 100 pF] 與雜散電感 [LΣPAR#= 5.4 nH] 的特征阻抗：

由公式 3 可見， RSNUB = 7.3Ω，四舍五入后取 10Ω。將 CSNUB 的值設(shè)置為 330pF，系大于 CADD 計(jì)算值的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，隨后將RSNUB 定為 10Ω，由開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接至地，此時(shí)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上取第二個(gè)實(shí)測(cè)波形，如圖 4

所示。

顯然現(xiàn)在振鈴基本消除，振鈴的峰值振幅降低了 1.8V，現(xiàn)為 8V，相當(dāng)于減少了20%，并且轉(zhuǎn)換跳閘時(shí)間只縮短了 2ns。設(shè)計(jì)人員可以極大地增加 CSNUB值，直到轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)角開始彎曲（即，在 Q=1 時(shí)，L∑PAR#，CSNUB，以及 RSNUB電路被有效的抑制）。但是，隨著 CSNUB 值的增加，緩沖電路所吸收的能量也有所增加，因此 RSNUB的功耗也得相應(yīng)增加，而同時(shí)降低升壓轉(zhuǎn)換器的效率。RSNUB的功耗可由下式計(jì)算得出 PSNUB= 1/2CSNUB×VPK2×fSW，其中，VPK為減少后的峰值振幅，F(xiàn)SW為升壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率。設(shè)計(jì)人員必須確保 RSNUB包 (package) 足夠大來實(shí)現(xiàn)上述功耗?？偟膩碚f，下一標(biāo)準(zhǔn)值需大于振蕩頻率減半 (1/2 [CADD]) 所需的值，在這一標(biāo)準(zhǔn)值上來選擇 CSNUB，這樣峰值振幅就可以降低 20% 左右，而峰值效率的降低則不是很明顯。

網(wǎng)絡(luò)上還有類似的技術(shù)文章利用RC來消除反激開關(guān)電源次級(jí)二極管的振鈴，方法也是類似的。

利用RC來消除反激開關(guān)電源次級(jí)二極管的振鈴

總結(jié)

此方法經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明確實(shí)可以減小甚至消除振鈴，各位工程師在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)首先要從根源上來控制，不然加的吸收要很大損耗特別大在產(chǎn)品上是行不通的。

1、選用寄生電容小的MOS或二極管。

2、開關(guān)電源布板時(shí)盡量縮短振蕩回路的距離。

3、要特別注意，用RC的方法來消除振鈴時(shí)的前提：必須損耗或者發(fā)熱量能接受的范圍。