使用RC緩沖電路去除開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)諧波噪聲

DC-DC----緩沖電路設(shè)計(jì)

引言：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。

1.RC緩沖電路

如圖20-1是一個(gè)典型的降壓DC-DC的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：

圖20-1： 降壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器電路

圖20-2：考慮寄生參數(shù)的電路

但實(shí)際上如圖20-2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20-3的開(kāi)關(guān)振鈴，會(huì)導(dǎo)致EMI特性劣化。

圖20-3：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20-4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20-4：RC緩沖電路

圖20-5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20-5：緩沖電路的動(dòng)作過(guò)程

2.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。

3.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。

4.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。

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20-6測(cè)得頻率為217.4MHz。

圖20-6：測(cè)定振鈴頻率

圖20-7：追加CP0

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20-8所示，振鈴頻率約為108.7MHz)。

圖20-8：將 CPO設(shè)為 680pF 時(shí)的振鈴頻率

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：

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

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。

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20-9至圖20-13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20-9：無(wú)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

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。