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用合適的“RC”可消除開關電源振鈴?

發布時間:2018-03-27 浏覽次數:271

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成的升壓轉換器的關鍵環路,電感及電容分別以LPAR(寄生電感)CPAR(寄生電容)標簽進行參考標注。兩個開關與開關轉換器的電感交彙的節點被稱爲開關節點。寄生電感和電容通常會産生互感,並導致開關節點上的電壓在200 MHz+ 的範圍內振蕩。如果該振鈴的振幅大于低側開關額定電壓的最大絕對值,將會損壞開關。此外,振鈴所産生的傳導輻射和/或的電磁幹擾 (EMI) 也會引發鄰近的 IC 的問題。

圖 2 展示了升壓轉換器開關節點上的實測曲線,時間刻度 (time scale) 爲 5 ns/div。測量所使用的示波器及示波器探針具有至少 500 MHz 的帶寬,近似爲所估算的 200 MHz 振鈴頻率的 2 倍。示波器探針的接地環路做了最小化,以避免感應拾取(inductive pick-up)造成測量結果的失真。由于 VIN = 3.3 V 且 VOUT = 5 V,因此轉換節點的峰值電壓不應大于 VOUT + VDIODE≈5.7 V,但是開關節點上振鈴的峰值幅度爲 9.8 V,有可能損壞低側開關。

在設計方面,電源設計人員具有多種方法來實現振鈴的最小化。如果采用控制器,設計人員應同時選用具有最小寄生電容的 FET 及二極管,並通過板載布線,最大程度的減小兩個開關與電感之間的距離,從而使LPAR2 和 LPAR3 最小化。此外,設計人員還可以通過減小 FET 電源引腳與電源接地點或接地層之間的距離來實現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 所具有的內部 CPAR#、LPAR1、LPAR2及LPAR3,改進板載布線的方法不一定可行,因此需要一個緩沖電路(snubber)——由 RSNUB 及 CSNUB 組成,從開關節點至電源地。該緩沖電路是一個能量吸收電路,用于消除開關閉合時電路寄生電感所引起的電壓毛刺。當開關閉合時,緩沖電路爲流經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並降低了寄生電容上的後繼起振鈴。

該應用報告的其余部分逐步講述了在無明顯減少開關關斷的上升時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)之後(如圖 2 的實測波形所示),在開關節點與接地之間連接適當的電容[CADD],可降低振鈴頻率至½。如圖 3所示,在添加了 300 pF 電容後,振鈴頻率爲 113 MHz。

LC 電路的諧振頻率與 LC 乘積的平方根成反比,而現在的電路總電容 [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算:

整理後,得出

在此例中,LΣPAR# 爲 5.4nH。最終,緩沖器電阻的最優化值爲原始寄生電容 [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,四舍五入後取 10Ω。將 CSNUB 的值設置爲 330pF,系大于 CADD 計算值的下一個標准值,隨後將RSNUB 定爲 10Ω,由開關節點連接至地,此時在開關節點上取第二個實測波形,如圖 4

所示。

顯然現在振鈴基本消除,振鈴的峰值振幅降低了 1.8V,現爲 8V,相當于減少了20%,並且轉換跳閘時間只縮短了 2ns。設計人員可以極大地增加 CSNUB 值,直到轉換節點角開始彎曲(即,在 Q=1 時,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 的功耗也得相應增加,而同時降低升壓轉換器的效率。RSNUB 的功耗可由下式計算得出 PSNUB = 1/2CSNUB×VPK2×fSW,其中,VPK 爲減少後的峰值振幅,FSW爲升壓轉換器的轉換頻率。設計人員必須確保 RSNUB 包 (package) 足夠大來實現上述功耗。總的來說,下一標准值需大于振蕩頻率減半 (1/2 [CADD]) 所需的值,在這一標准值上來選擇 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。

網絡上還有類似的技術文章利用RC來消除反激開關電源次級二極管的振鈴,方法也是類似的。

利用RC來消除反激開關電源次級二極管的振鈴


總結

此方法經過實驗證明確實可以減小甚至消除振鈴,各位工程師在設計開關電源時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産品上是行不通的。

1、選用寄生電容小的MOS或二極管。

2、開關電源布板時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的前提:必須損耗或者發熱量能接受的範圍。

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