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用合适的“RC”可消除开关电源振铃?

发布时间:2018-03-27 浏览次数:241

问题的描述

图一(Boost升压电源)的电路图展示了由寄生电感及电容所构成的升压转换器的关键环路,电感及电容分别以LPAR(寄生电感)CPAR(寄生电容)标签进行参考标注。两个开关与开关转换器的电感交汇的节点被称为开关节点。寄生电感和电容通常会产生互感,并导致开关节点上的电压在200 MHz+ 的范围内振荡。如果该振铃的振幅大于低侧开关额定电压的最大绝对值,将会损坏开关。此外,振铃所产生的传导辐射和/或的电磁干扰 (EMI) 也会引发邻近的 IC 的问题。

图 2 展示了升压转换器开关节点上的实测曲线,时间刻度 (time scale) 为 5 ns/div。测量所使用的示波器及示波器探针具有至少 500 MHz 的带宽,近似为所估算的 200 MHz 振铃频率的 2 倍。示波器探针的接地环路做了最小化,以避免感应拾取(inductive pick-up)造成测量结果的失真。由于 VIN = 3.3 V 且 VOUT = 5 V,因此转换节点的峰值电压不应大于 VOUT + VDIODE≈5.7 V,但是开关节点上振铃的峰值幅度为 9.8 V,有可能损坏低侧开关。

在设计方面,电源设计人员具有多种方法来实现振铃的最小化。如果采用控制器,设计人员应同时选用具有最小寄生电容的 FET 及二极管,并通过板载布线,最大程度的减小两个开关与电感之间的距离,从而使LPAR2 和 LPAR3 最小化。此外,设计人员还可以通过减小 FET 电源引脚与电源接地点或接地层之间的距离来实现LPAR1的最小化。通过将大输出电容尽可能地靠近二极管的阴极和接地电源放置,还将使得LPAR4及LPAR5最小化。介于输出值(0.01 mF – 2.2 mF)和接地电源之间的高频旁路电容 (COUT-BYP) 来最小化振铃。在输出与电源地之间连接0.01 mF – 2.2 mF 的高频旁通电容[COUT-BYP]也是推荐的方法。

由于电路板的尺寸限制或是由于集成 FET 电源 IC 所具有的内部 CPAR#、LPAR1、LPAR2及LPAR3,改进板载布线的方法不一定可行,因此需要一个缓冲电路(snubber)——由 RSNUB 及 CSNUB 组成,从开关节点至电源地。该缓冲电路是一个能量吸收电路,用于消除开关闭合时电路寄生电感所引起的电压毛刺。当开关闭合时,缓冲电路为流经电路寄生电感的电流提供一条替代的接地通路,从而抑制了电压瞬变并降低了寄生电容上的后继起振铃。

该应用报告的其余部分逐步讲述了在无明显减少开关关断的上升时间或降低整体效率的情况下,如何确定缓冲电路元件的大小以抑制振铃。

在确定了由寄生电感 [LΣPAR#](总共的寄生电量) 及寄生电容 [CΣPAR#] (总共的寄生电容量)所引起的振铃频率(fINIT = 217 MHz)之后(如图 2 的实测波形所示),在开关节点与接地之间连接适当的电容[CADD],可降低振铃频率至½。如图 3所示,在添加了 300 pF 电容后,振铃频率为 113 MHz。

LC 电路的谐振频率与 LC 乘积的平方根成反比,而现在的电路总电容 [CΣPAR# + CADD] 是其初始值[或 CΣPAR# = CADD/3] 的 4 倍。这是用于 CSNUB 的最小电容值。引起振铃的总寄生电感可按下式计算:

整理后,得出

在此例中,LΣPAR# 为 5.4nH。最终,缓冲器电阻的最优化值为原始寄生电容 [CΣPAR# = CADD/3 = 100 pF] 与杂散电感 [LΣPAR#= 5.4 nH] 的特征阻抗:

由公式 3 可见, RSNUB = 7.3Ω,四舍五入后取 10Ω。将 CSNUB 的值设置为 330pF,系大于 CADD 计算值的下一个标准值,随后将RSNUB 定为 10Ω,由开关节点连接至地,此时在开关节点上取第二个实测波形,如图 4

所示。

显然现在振铃基本消除,振铃的峰值振幅降低了 1.8V,现为 8V,相当于减少了20%,并且转换跳闸时间只缩短了 2ns。设计人员可以极大地增加 CSNUB 值,直到转换节点角开始弯曲(即,在 Q=1 时,L∑PAR#,CSNUB,以及 RSNUB 电路被有效的抑制)。但是,随着 CSNUB 值的增加,缓冲电路所吸收的能量也有所增加,因此 RSNUB 的功耗也得相应增加,而同时降低升压转换器的效率。RSNUB 的功耗可由下式计算得出 PSNUB = 1/2CSNUB×VPK2×fSW,其中,VPK 为减少后的峰值振幅,FSW为升压转换器的转换频率。设计人员必须确保 RSNUB 包 (package) 足够大来实现上述功耗。总的来说,下一标准值需大于振荡频率减半 (1/2 [CADD]) 所需的值,在这一标准值上来选择 CSNUB,这样峰值振幅就可以降低 20% 左右,而峰值效率的降低则不是很明显。

网络上还有类似的技术文章利用RC来消除反激开关电源次级二极管的振铃,方法也是类似的。

利用RC来消除反激开关电源次级二极管的振铃


总结

此方法经过实验证明确实可以减小甚至消除振铃,各位工程师在设计开关电源时首先要从根源上来控制,不然加的吸收要很大损耗特别大在产品上是行不通的。

1、选用寄生电容小的MOS或二极管。

2、开关电源布板时尽量缩短振荡回路的距离。

3、要特别注意,用RC的方法来消除振铃时的前提:必须损耗或者发热量能接受的范围。

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