如何使用RC緩沖電路去除開關(guān)節(jié)點諧波噪聲

降壓轉(zhuǎn)換器IC的開關(guān)節(jié)點容易產(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)簡述如何使用RC緩沖電路去除開關(guān)節(jié)點諧波噪聲。

1.RC緩沖電路

如圖20-1是一個典型的降壓DC-DC的結(jié)構(gòu)簡圖：

圖20-1：降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路

圖20-2：考慮寄生參數(shù)的電路

但實際上如圖20-2所示會存在很多寄生電感LP和寄生電容CP，高邊開關(guān)在導通和關(guān)斷時，由于寄生電感蓄積的能量，在輸入環(huán)路里會產(chǎn)生共振。因為寄生參數(shù)的值由于非常小，所以共振頻率可以達到數(shù)百MHz以上，如圖20-3的開關(guān)振鈴，會導致EMI特性劣化。

圖20-3：SW開關(guān)節(jié)點振鈴波形

RC緩沖電路是用來去除高次諧波噪聲的一種有效方法，如圖20-4所示在開關(guān)節(jié)點只需追加RC網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)降低高次諧波噪聲。

圖20-4：RC緩沖電路

圖20-5展示了緩沖電路的動作過程：當高邊開關(guān)導通時，寄生電感蓄積的能量通過緩沖電容CSNB ，作為靜電能量存儲在電容里。開關(guān)節(jié)點電位會上升到輸入電壓VIN，當充電到VIN時，電容儲存了1/ 2×CSNB×VIN×VIN能量。這時候緩沖電阻RSNB里會產(chǎn)生與充電能量相同的1/ 2×CSNB×VIN×VIN阻抗損耗。當?shù)瓦呴_關(guān)導通時，開關(guān)節(jié)點會降低到GND電位，所以緩沖電容CSNB蓄積的能量會通過緩沖電阻(阻尼電阻)放電。這時候緩沖電阻RSNB會消耗1/ 2×CSNB×VIN×VIN能量。作為這個公式的補充說明，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)定足夠長的話，只由電容容量和電壓決定。充電時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儲存在電容里。放電時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，只會充放電所需時間發(fā)生變化，但是這個比例是一定的。

開關(guān)一個周期合計會由電阻產(chǎn)生CSNB×VIN×VIN損耗，僅開啟關(guān)斷的次數(shù)就會產(chǎn)生損耗，所以產(chǎn)生損耗由CSNB×VIN×VIN×fsw求得。即使無負載，但是只要有開關(guān)動作，緩沖電路就會產(chǎn)生損耗，所以這就成了效率降低的要因。

圖20-5：緩沖電路的動作過程

2.計算RC的值

介紹了消除振鈴的緩沖電路RC值由下面兩個公式求得：

LP和CP2是寄生參數(shù)，有手冊不公開該信息，或值太小難以進行參數(shù)計算。下述實例按照一邊在實機上測量實際的開關(guān)波形，一邊計算相關(guān)參數(shù)的方法進行說明。

3.RC值計算步驟

1. 使用示波器測得振鈴頻率fr。

2. 在開關(guān)節(jié)點和GND之間接入電容CP0，求得振鈴頻率變?yōu)?/2時的電容值。

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。

4.RC值計算實例

這里一邊進行實際測量一邊按照RC值計算步驟進行說明。

1. 因為需要使用示波器來測量振鈴頻率，所以在測試點的開關(guān)節(jié)點處一定要會使用探頭。為了降低探頭附加在開關(guān)節(jié)點處的寄生容量，將探針前端的掛鉤尖端除去，使探頭直接接觸開關(guān)節(jié)點，因為接地引線會附加電感成分所以去掉。取而代之的是安裝接地引線適配器，使接地長度最小化，放大振鈴波形，圖20-6測得頻率為217.4MHz。

圖20-6：測定振鈴頻率

圖20-7：追加CP0

2. 如圖20-7所示，在開關(guān)節(jié)點和GND間接入電容CP0，求得振鈴頻率變?yōu)?/2時的電容值。該例將217.4MHz的一半108.7MHz作為目標，實驗結(jié)果顯示當追加680pF電容時，如圖20-8所示，振鈴頻率約為108.7MHz)。

圖20-8：將 CPO設(shè)為 680pF 時的振鈴頻率

3. 振鈴共振頻率由

決定，因此容量值變?yōu)?倍的話，頻率降為一半。也就是可以推測寄生容量CP2為附加電容CP0的1/3。CP0為680pF時，寄生容量CP2就如下式所示求得：

4. 寄生容量CP2計算得出后，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。為了簡化計算，不考慮傳輸線路損耗，由理想的實際數(shù)值計算：

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?。篟SBB≥Z，這里實例選取3.3Ω。

7. 緩沖容量CSNB設(shè)定為寄生容量CP2的1～4 倍。計算結(jié)果為227pF、454pF、681pF、908pF，實物容值為220pF、470pF、680pF、1000pF。依次改變這些容量，觀測振鈴波形。結(jié)果如圖20-9至圖20-13所示，可以判斷出當容值為680pF時，可以獲得無振鈴的良好波形。當振鈴不消失時，將容量值進一步增加到10倍程度觀測波形。但是容量值越大功率損耗就越增加，效率就低下。

圖20-9：無緩沖電路

圖20-10：RSNB=3.3Ω、CSNB=220pF

圖20-11：RSNB=3.3Ω、CSNB=470pF

圖20-12：RSNB=3.3Ω、CSNB=680pF

圖20-13：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、開關(guān)頻fSW為1MHz，因此

緩沖電阻產(chǎn)生了17mW損耗，這個例子損耗雖然小，但是輸入電壓高的時候損耗也變大，因此不注意電阻的額定功率的話，緩沖電阻就會燒毀。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、開關(guān)頻率fSW為1MHz時：

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。這個例子雖然選擇了3.3Ω和680pF兩個常數(shù)，但是這個只對一開始測定的振鈴頻率有效，還得必須考慮輸入電壓或負載電流變化時這些參數(shù)也會變化的可能性，不管哪種條件都需要將最大程度減弱振鈴作為目標值。

審核編輯：黃飛