BUCK開關(guān)振鈴的原因與優(yōu)化方法

LMR14020是一款40V/2A在工業(yè)領(lǐng)域非常popular的buck芯片，下面是他的推薦電路。

你有看過BUCK關(guān)鍵引腳的波形么? CCM下正常的SW波形如下圖方波。

而DCM模式下的SW波形在斷續(xù)模式下，上管下管都不導(dǎo)通，輸出LC能量諧振，這個時候的震蕩是正常的。

一、什么是開關(guān)振鈴?

由于寄生參數(shù)的存在，開關(guān)電源電路在開關(guān)動作瞬間會產(chǎn)生開關(guān)振鈴。SW波形在上管導(dǎo)通瞬間，SW電壓過沖超過VIN 10V。

振鈴的存在，可 能使得開關(guān)管承受的電壓超過其耐壓值而發(fā)生擊穿;另一方面，開關(guān)振鈴為遠(yuǎn)超開關(guān)頻率的高頻振鈴， 并伴隨很高的 dV/dt，會帶來傳導(dǎo)和輻射的 EMI 問題，可能會使得終端產(chǎn)品不能通過 EMI 標(biāo)準(zhǔn)測試， 更嚴(yán)重時甚至?xí)蓴_開關(guān)電源自身的信號電路或臨近的其他功能電路的正常工作。所以盡可能地抑制 開關(guān)振鈴是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中一個很重要的環(huán)節(jié)。

二、振鈴的原因?

雖然MOS管模型通常都有Lg，Ld，Ls，即管子三個引腳的寄生電感，但通常MOS集成在芯片內(nèi)部，因此振鈴的主要原因都來自layout走線過長導(dǎo)致的寄生電感與下管結(jié)電容諧振導(dǎo)致SW點(diǎn)電壓的震蕩。

看上圖，其中，L1、L2為走線與MOS管寄生電感之和。在上管導(dǎo)通瞬間，正在導(dǎo)通的下管突然被加上反向電壓，在瞬間會產(chǎn)生非常大的反向恢復(fù)電流，即從SW到GND會產(chǎn)生很大的di/dt，通過寄生電感L2在SW節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生很高的電壓幅值。之后L1、L2與下管結(jié)電容C產(chǎn)生諧振，進(jìn)而引發(fā)振鈴現(xiàn)象，其本質(zhì)是LCR阻尼振蕩。

從以上分析可推斷出，寄生電感L1比較大，那么產(chǎn)生的尖峰電壓肯定是越大的;負(fù)載電流越大，那么意味著功率電感電流越大，在SW從0上升到Vin電壓時，寄生電感L1得到的電流也越大，L1獲得的用于振蕩的能量也是越大的，振蕩尖峰越高;開關(guān)速度越快，寄生電感電流上升的速度也越快，在SW從0上升到Vin電壓時，寄生電感L1得到的電流也越大，參與振蕩的能量也越多，所以尖峰也越高。

三、 如何優(yōu)化振鈴現(xiàn)象

1. 輸入濾波電容的位置盡可能的靠近芯片供電引腳，以減小輸入回路面積。

2. 優(yōu)化PCB Layout降低走線電感量。

1盎司銅厚，線寬50mil，走線長度10mm的電感量是6.52nH，而通過仿真測試看到，在VIN=12V，VOUT=3.3V，IOUT=6.6A 時，設(shè)置上管走線電感0.5nH，可引起SW 超過VIN 4V 的電壓尖峰!基本優(yōu)秀的Layout 會極大減小SW的過沖電壓。

3. 可以通過從SW連接到BOOT引腳的外置RC控制開關(guān)速度，減小di/dt從而減小諧振峰值電壓

4. SW對地添加snubber電路吸收：R Csnub放置在SW節(jié)點(diǎn)與GND之間。

電容越大，抑制振鈴振幅效果越好。而且當(dāng)電容達(dá)到一定程度大小以后，電容的增加給振鈴抑制的效果并不顯著，并且Csnub越大也會帶來損耗的問題，效率會變差。一般工程經(jīng)驗(yàn)取值范圍：(R：5~10ohm,C：1nF~10nF) 。

四、Snubber快捷設(shè)計(jì)方法分享

(上圖Csnub阻抗小，被進(jìn)一步簡化)

第一步，需要確定圖上圖中的 LR和 CR。首先測量初始振鈴頻率。

然后在 snubber 將要放置的位置上，放置一個 Cadd，因此新的可測得的振鈴頻率表達(dá)式 為

以上兩式中，僅 LR和 CR為未知量，故可通過兩式聯(lián)立，解得 LR和 CR.

第二步，選取合適的 R 值，使得 R 值近似于

注意，電阻的封裝應(yīng)考慮散熱。使得電阻功率等級大于電阻上損耗。電阻損耗表達(dá)式為

第三步，選擇合適的電容值 Csnub。如前文所說，電容值的選擇是振幅抑制和控制損耗的折中。可選擇以下式作為起點(diǎn)，根據(jù)損耗情況和振幅抑制效果，進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整：增大電容抑制振幅，減小電容提高效率。