應(yīng)用報告：升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點的振鈴最小化

摘要：本應(yīng)用報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)點上的高頻振鈴。

1 問題的描述

圖一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，分別標識為 L_PAR 和 C_PAR 參考指定器。在兩個開關(guān)和電感器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換器相交處的節(jié)點被稱作開關(guān)節(jié)點。在開關(guān)節(jié)點上，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值，將對開關(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) 也會使附近的集成電路出現(xiàn)問題。


圖 2 給出了一個升壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換節(jié)點的振鈴頻率范圍圖，時間量程 (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)拾取造成測量結(jié)果失真。由于 V_IN = 3.3 V，并且 V_OUT = 5 V，所以轉(zhuǎn)換節(jié)點的峰值電壓不應(yīng)大于 V_OUT + V_DIODE≈5.7 V，但是轉(zhuǎn)換節(jié)點振鈴的振幅峰值為 9.8 V，其會損壞低壓側(cè)開關(guān)。

在最小化振鈴的設(shè)計階段，電源設(shè)計人員會有多種選項。如果使用了控制器，設(shè)計人員還應(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 L_PAR2 和 L_PAR3 最小化。此外，設(shè)計人員還可以通過減小 FET 電源引腳和電源接地點或接地層之間的距離來使 L_PAR2 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 L_PAR4 和 L_PAR5 最小化。推薦使用介于輸出值（0.01 mF C 2.2 mF）和接地電源之間的高頻旁路電容 (C_OUT-BYP) 來最小化振鈴。

由于電路板的尺寸限制或是由于內(nèi)部 C_PAR#、L_PAR1、L_PAR2 以及 L_PAR3 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)計一個緩沖電路，該電路由從開關(guān)節(jié)點至接地電源的 R_SNUB 和 C_SNUB 組成，是一個用來消除在閉合開關(guān)時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，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。

該應(yīng)用報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（f_INIT = 217 MHz）后（如圖 2 振鈴頻率范圍圖所示），在轉(zhuǎn)換節(jié)點和接地之間添加足夠的電容[C_ADD]，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。

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# + C_ADD] 是其原始值 [或 C_∑PAR# = C_ADD/3] 的 4 倍。這是加載于 C_SNUB 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# = C_ADD/3=100pF] 和雜散電感 [L_∑PAR# = 5.4 nH] 的特性阻抗：

從公式 3 中，(我們可以看出) R_SNUB = 7.3Ω，采用上舍入法后，取 10Ω。將 C_SNUB 的值設(shè)置為 330pF 后，下一個標準值大于 C_ADD 的計算值，從轉(zhuǎn)換節(jié)點至接地的 R_SNUB 值為 10Ω，第二個轉(zhuǎn)換節(jié)點振鈴頻率范圍圖如圖 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)換跳閘時間只縮短了 2ns。設(shè)計人員可以極大地增加 C_SNUB 值，直到轉(zhuǎn)換節(jié)點角開始彎曲（即，在 Q=1 時，L_∑PAR#，C_SNUB，以及 R_SNUB 電路被有效的抑制）。但是，隨著 C_SNUB 值的增加，緩沖電路所吸收的能量也有所增加，因此 R_SNUB 的功耗也得相應(yīng)增加，而同時降低升壓轉(zhuǎn)換器的效率。R_SNUB 的功耗可由下式計算得出 P_SNUB = ½ C_SNUBV_PK²f_SW，其中，V_PK 為減少后的峰值振幅，F_SW為升壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率。設(shè)計人員必須確保 R_SNUB 包 (package) 足夠大來實現(xiàn)上述功耗?？偟膩碚f，下一標準值需大于振蕩頻率減半 (1/2 [_CADD]) 所需的值，在這一標準值上來選擇 C_SNUB，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。