升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的振鈴最小化
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摘要
本應(yīng)用報(bào)告說明了如何使用合理的電路板布局和/或緩沖電路來減少升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)上的高頻振鈴。
1 問題的描述
圖 1 的電路圖顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵環(huán)路，該環(huán)路由寄生電感和電容構(gòu)成，分別標(biāo)識(shí)為 LPAR 和 CPAR 參考指定器。在兩個(gè)開關(guān)和電感器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換器相交處的節(jié)點(diǎn)被稱作開關(guān)節(jié)點(diǎn)。在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上，寄生電感和電容交互作用并引起電壓在 200-MHz+ 范圍內(nèi)振鈴是比較正常的。如果該振鈴的振幅大于低壓側(cè)開關(guān)的額定電壓的最大絕對(duì)值，將對(duì)開關(guān)產(chǎn)生破壞性作用。另外，傳導(dǎo)發(fā)射和/或振鈴產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 也會(huì)使附近的集成電路出現(xiàn)問題。
圖 1 升壓轉(zhuǎn)換器示意圖
圖 2 升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)上的振鈴
圖 2 給出了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的振鈴頻率范圍圖，時(shí)間量程 (time scale) 為 5-ns/div。我們使用了帶寬均為 500-MHz 的示波器和示波器探針(大約是 200-MHz 振鈴頻率的 2 倍)來表示示波器圖形。將示波器探針的接地環(huán)路最小化以避免感應(yīng)拾取造成測(cè)量結(jié)果失真。由于 VIN = 3.3 V，并且 VOUT = 5 V，所以轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的峰值電壓不應(yīng)大于 VOUT + VDIODE≈5.7 V，但是轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)振鈴的振幅峰值為 9.8 V，其會(huì)損壞低壓側(cè)開關(guān)。
在最小化振鈴的設(shè)計(jì)階段，電源設(shè)計(jì)人員會(huì)有多種選項(xiàng)。如果使用了控制器，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)選用擁有最小寄生電容的 FET 和二極管，并且合理布置電路板，使開關(guān)和電感器之間的距離最小化，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 電源引腳和電源接地點(diǎn)或接地層之間的距離來使 LPAR2 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，也可以使 LPAR4 和 LPAR5 最小化。推薦使用介于輸出值(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。
由于電路板的尺寸限制或是由于內(nèi)部 CPAR#、LPAR1、LPAR2 以及 LPAR3 均被集成在FET 電源 IC 中，改善電路板布局是不大可能的。因此，就要求設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖電路，該電路由從開關(guān)節(jié)點(diǎn)至接地電源的 RSNUB 和 CSNUB 組成，是一個(gè)用來消除在閉合開關(guān)時(shí)電路寄生電感引起的尖峰電壓的能量吸收電路。在開關(guān)閉合時(shí)，通過為電流流經(jīng)電路寄生電感提供一條接地的替代路徑，該緩沖電路可以減少電壓瞬態(tài)并抑制寄生電感上發(fā)生的繼起振鈴。
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該應(yīng)用報(bào)告的以下部分將講述在沒有明顯減少轉(zhuǎn)換關(guān)閉上升時(shí)間或降低整體效率情況下，如何布置緩沖電路組件來抑制振鈴的步驟。
在確定了由寄生電感 [L∑PAR#] 和寄生電容 [C∑PAR#] 引起的振鈴頻率(fINIT = 217 MHz)后(如圖 2 振鈴頻率范圍圖所示)，在轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和接地之間添加足夠的電容[CADD]，振鈴頻率就可減半。圖 3 顯示了在添加了 300 pF 電容后，振鈴頻率為 113 MHz。
圖 3 添加 300pF 接地電容后，升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的振鈴頻率
LC 電路的諧振頻率與 LC 積的平方根成反比，因此現(xiàn)在的電路總電容 [C∑PAR# + CADD] 是其原始值 [或 C∑PAR# = CADD/3] 的 4 倍。這是加載于 CSNUB 的最小電容值。引起振鈴的寄生電感值可以通過如下方程式計(jì)算出：
重新整理，得出
在此例中，L∑PAR# 為 5.4nH。最后，最理想的緩沖電阻為原始寄生電容 [C∑PAR# = CADD/3=100pF] 和雜散電感 [L∑PAR# = 5.4 nH] 的特性阻抗：
(3)
從公式 3 中，(我們可以看出) RSNUB = 7.3Ω，采用上舍入法后，取 10Ω。將 CSNUB 的值設(shè)置為 330pF 后，下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值大于 CADD 的計(jì)算值，從轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)至接地的 RSNUB 值為 10Ω，第二個(gè)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)振鈴頻率范圍圖如圖 4 所示。
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圖 4 添加緩沖電路后，升壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)
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 = ½ CSNUB
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