如何設(shè)計(jì)緩沖電路去除DC-DC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)次干擾噪聲
降壓轉(zhuǎn)換器IC的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生很多高次諧波噪聲，緩沖電路作為除去這些高次諧波噪聲的手段之一，本節(jié)簡(jiǎn)述如何使用RC緩沖電路去除開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)諧波噪聲。
01 RC緩沖電路
如圖1是一個(gè)典型的降壓DC-DC的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：
圖1 降壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器電路
圖2 考慮寄生參數(shù)的電路
但實(shí)際上如圖2所示會(huì)存在很多寄生電感LP和寄生電容CP，高邊開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，由于寄生電感蓄積的能量，在輸入環(huán)路里會(huì)產(chǎn)生共振。因?yàn)榧纳鷧?shù)的值由于非常小，所以共振頻率可以達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz以上，如圖3的開(kāi)關(guān)振鈴，會(huì)導(dǎo)致EMI特性劣化。
圖3 SW開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴波形
RC緩沖電路是用來(lái)去除高次諧波噪聲的一種有效方法，如圖4所示在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)只需追加RC網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)降低高次諧波噪聲。
圖4 RC緩沖電路
圖5展示了緩沖電路的動(dòng)作過(guò)程：當(dāng)高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，寄生電感蓄積的能量通過(guò)緩沖電容CSNB ，作為靜電能量存儲(chǔ)在電容里。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電位會(huì)上升到輸入電壓VIN，當(dāng)充電到VIN時(shí)，電容儲(chǔ)存了 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。這時(shí)候緩沖電阻RSNB里會(huì)產(chǎn)生與充電能量相同的 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 阻抗損耗。當(dāng)?shù)瓦呴_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)降低到GND電位，所以緩沖電容CSNB蓄積的能量會(huì)通過(guò)緩沖電阻(阻尼電阻)放電。這時(shí)候緩沖電阻RSNB會(huì)消耗 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。
作為這個(gè)公式的補(bǔ)充說(shuō)明，充電后電容電荷Q由CSNB×VIN求得，電源供電功率為 VIN×Q=CSNB×VIN×VIN 。 電容蓄積能量和釋放能量在充放電周期CR 常數(shù)設(shè)定足夠長(zhǎng)的話(huà)，只由電容容量和電壓決定。充電時(shí)電源有一半能量由于電阻變成了焦耳熱，剩下的一半作為靜電容量?jī)?chǔ)存在電容里。放電時(shí)蓄積的一半靜電能量由于電阻變成了熱能。即使電阻值變化，只會(huì)充放電所需時(shí)間發(fā)生變化，但是這個(gè)比例是一定的。
開(kāi)關(guān)一個(gè)周期合計(jì)會(huì)由電阻產(chǎn)生 CSNB×VIN×VIN 損耗，僅開(kāi)啟關(guān)斷的次數(shù)就會(huì)產(chǎn)生損耗，所以產(chǎn)生損耗由 CSNB×VIN×VIN×fsw 求得。即使無(wú)負(fù)載，但是只要有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，緩沖電路就會(huì)產(chǎn)生損耗，所以這就成了效率降低的要因。
圖5 緩沖電路的動(dòng)作過(guò)程
02 計(jì)算RC的值
介紹了消除振鈴的緩沖電路RC值由下面兩個(gè)公式求得：
LP和CP2是寄生參數(shù)，有手冊(cè)不公開(kāi)該信息，或值太小難以進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。下述實(shí)例按照一邊在實(shí)機(jī)上測(cè)量實(shí)際的開(kāi)關(guān)波形，一邊計(jì)算相關(guān)參數(shù)的方法進(jìn)行說(shuō)明。
LP和CP2是寄生參數(shù)，有手冊(cè)不公開(kāi)該信息，或值太小難以進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。下述實(shí)例按照一邊在實(shí)機(jī)上測(cè)量實(shí)際的開(kāi)關(guān)波形，一邊計(jì)算相關(guān)參數(shù)的方法進(jìn)行說(shuō)明。
03 RC值計(jì)算步驟
1.使用示波器測(cè)得振鈴頻率fr。
2.在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和GND之間接入電容CP0，求得振鈴頻率變?yōu)?/2時(shí)的電容值。
3.電容容值CP0的1/3即是寄生容量CP2。
4.由寄生容量CP2求得寄生電感LP。
5.求得共振的特性阻抗。
6.緩沖電阻RSNB設(shè)為和特性阻抗Z同等程度的值:RSNB≥Z
7.緩沖容量CSNB設(shè)為寄生容量CP2的1～4倍。
8.求得緩沖電阻RSNB的消耗功率。
04 RC值計(jì)算實(shí)例
這里一邊進(jìn)行實(shí)際測(cè)量一邊按照RC值計(jì)算步驟進(jìn)行說(shuō)明。
1. 因?yàn)樾枰褂檬静ㄆ鱽?lái)測(cè)量振鈴頻率，所以在測(cè)試點(diǎn)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處一定要會(huì)使用探頭。為了降低探頭附加在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的寄生容量，將探針前端的掛鉤尖端除去，使探頭直接接觸開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榻拥匾€(xiàn)會(huì)附加電感成分所以去掉。取而代之的是安裝接地引線(xiàn)適配器，使接地長(zhǎng)度最小化，放大振鈴波形，圖6測(cè)得頻率為217.4MHz。
圖6 測(cè)定振鈴頻率
圖7 追加CP0
2. 如圖20-7所示，在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和GND間接入電容CP0，求得振鈴頻率變?yōu)?/2時(shí)的電容值。該例將217.4MHz的一半108.7MHz作為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)追加680pF電容時(shí)，如圖8所示，振鈴頻率約為108.7MHz)。
圖8將 CPO設(shè)為 680pF 時(shí)的振鈴頻率
3. 振鈴共振頻率由
決定，因此容量值變?yōu)?倍的話(huà)，頻率降為一半。也就是可以推測(cè)寄生容量CP2為附加電容CP0的1/3。CP0為680pF時(shí)，寄生容量CP2就如下式所示求得：
4. 寄生容量CP2計(jì)算得出后，共振頻率公式：
變形可以求得寄生電感LP。振鈴頻率fr為217.4MHZ，寄生容量CP2為227pF，那么
5. 求共振特性阻抗。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮傳輸線(xiàn)路損耗，由理想的實(shí)際數(shù)值計(jì)算：
6.為了衰減振鈴，有必要將緩沖電阻RSNB設(shè)為和共振特性阻抗Z同等大小：RSBB≥Z，這里實(shí)例選取3.3Ω。
7. 緩沖容量CSNB設(shè)定為寄生容量CP2的1～4 倍。計(jì)算結(jié)果為227pF、454pF、681pF、908pF，實(shí)物容值為220pF、470pF、680pF、1000pF。依次改變這些容量，觀測(cè)振鈴波形。結(jié)果如圖9至圖13所示，可以判斷出當(dāng)容值為680pF時(shí)，可以獲得無(wú)振鈴的良好波形。當(dāng)振鈴不消失時(shí)，將容量值進(jìn)一步增加到10倍程度觀測(cè)波形。但是容量值越大功率損耗就越增加，效率就低下。
圖9 無(wú)緩沖電路
圖10 RSNB=3.3Ω、CSNB=220pF
圖11 RSNB=3.3Ω、CSNB=470pF
圖12 RSNB=3.3Ω、CSNB=680pF
圖13 RSNB=3.3Ω、CSNB=1000pF
8. 緩沖電阻RSNB的消耗功率由如下公式求得。舉例輸入電壓VIN為5V、開(kāi)關(guān)頻fSW為1MHz，因此
緩沖電阻產(chǎn)生了17mW損耗，這個(gè)例子損耗雖然小，但是輸入電壓高的時(shí)候損耗也變大，因此不注意電阻的額定功率的話(huà)，緩沖電阻就會(huì)燒毀。緩沖電阻推薦使用額定功率是消耗功率2倍以上的電阻。
例如輸入電壓VIN為24V、開(kāi)關(guān)頻率fSW為1MHz時(shí)：
產(chǎn)生了0.39W消耗功率，因此需要使用額定功率1W，尺寸為6432 (2512 inch)的電阻。這個(gè)例子雖然選擇了3.3Ω和680pF兩個(gè)常數(shù)，但是這個(gè)只對(duì)一開(kāi)始測(cè)定的振鈴頻率有效，還得必須考慮輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)這些參數(shù)也會(huì)變化的可能性，不管哪種條件都需要將最大程度減弱振鈴作為目標(biāo)值。
