本文的關(guān)鍵要點(diǎn)
・在升壓型DC-DC轉換器中，高速變化的脈沖狀電流會(huì )流入輸出，從而引發(fā)振鈴并產(chǎn)生高頻噪聲。
・低邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)振鈴的能量源來(lái)自高邊開(kāi)關(guān)的導通延遲和輸出環(huán)路的電感使開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓上升至高于輸出電壓后的電位差。
・低邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的振鈴是由低邊開(kāi)關(guān)的COSS和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。
・低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)振鈴的能量源來(lái)自高邊開(kāi)關(guān)的反向恢復電流和對高邊開(kāi)關(guān)電容的充電電流。
・低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)的振鈴是由高邊開(kāi)關(guān)的電容分量和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。
本文介紹第一個(gè)主題“升壓型DC-DC轉換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因”。
關(guān)于升壓電源的輸出中產(chǎn)生遠高于開(kāi)關(guān)頻率的高頻噪聲的原因，將從“升壓型DC-DC轉換器的工作”、“輸出電容器和布線(xiàn)中的電感分量”、“低邊開(kāi)關(guān)的輸出容量和振鈴”和“低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)的工作”幾個(gè)角度進(jìn)行說(shuō)明。
升壓型DC-DC轉換器的工作
在升壓型DC-DC轉換器中，當低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)，會(huì )使電感電流增加并積蓄能量；當低邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，積蓄的能量會(huì )被釋放，從而使電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢引起的高電壓，最終形成高于輸入電壓的輸出電壓。在開(kāi)關(guān)工作期間，電壓和電流的高速變化會(huì )產(chǎn)生高頻振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì )成為高頻噪聲并通過(guò)輸出線(xiàn)路被傳播和輻射出去，從而造成故障。
首先來(lái)了解一下低邊開(kāi)關(guān)從導通轉為關(guān)斷過(guò)程中的詳細工作。在低邊開(kāi)關(guān)FET完全導通的狀態(tài)下，漏極和源極之間的電阻為RDSON的阻值，漏極電壓為“RDSON×電感電流”。從此時(shí)開(kāi)始，當FET的柵極驅動(dòng)轉為關(guān)斷時(shí)，漏極和源極之間的電阻值上升，漏極電壓也開(kāi)始上升。
當低邊開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，漏極和源極之間會(huì )產(chǎn)生容性分量COSS，部分電感電流會(huì )被用來(lái)對COSS充電。由于流經(jīng)漏極和源極間電阻分量的電流導致的導通損耗，以及充入COSS的電荷量，使部分能量損失，與此同時(shí)漏極電壓繼續上升。
當開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的電壓VSW變得高于輸出電壓時(shí)，高邊開(kāi)關(guān)整流二極管被正向偏置。即使正向偏置電壓高于整流二極管的VF，由于整流二極管存在導通延遲，因此電流也不會(huì )開(kāi)始流動(dòng)，漏極電壓上升至高于“輸出電壓+VF”的電壓。經(jīng)過(guò)數ns的導通延遲后，整流二極管變?yōu)閷顟B(tài)，電感電流開(kāi)始向輸出電容器充電。
輸出電容器和布線(xiàn)中的電感分量
由于整流二極管的導通延遲，已上升至高于輸出電壓電位的VSW被施加給輸出電容器，因電位差很大，輸出電容器開(kāi)始被快速充電。在此之前，輸出電容器一直通過(guò)放電向負載提供電流，但從此時(shí)開(kāi)始將通過(guò)電感電流進(jìn)行充電。從放電到充電，流經(jīng)電容器的電流以納秒級的速度改變?yōu)橄喾吹姆聪颉?br>
電容器的電感分量ESL為數nH～數十nH，但根據由充放電電流的變化值ΔI（以A為單位）和變化速度ΔT（以ns為單位）組成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT，在ΔT的時(shí)間內會(huì )發(fā)生反電動(dòng)勢ΔV，輸出電容器中也會(huì )產(chǎn)生高電壓。因此，輸出電容器會(huì )在整流二極管剛剛導通后立即產(chǎn)生尖峰狀的高電壓。
低邊開(kāi)關(guān)的輸出容量和振鈴
COSS被充電，達到輸出電容器中也會(huì )產(chǎn)生的尖峰狀高電壓的程度，然后COSS中存儲的能量被釋放并流入輸出電容器，并以磁能的形式存儲在電感分量ESL中。
當COSS的電壓通過(guò)放電下降到VOUT的電位時(shí)，電位差消失，ESL中的磁能停止增加，利用ESL此前積蓄的磁能，進(jìn)入恒流狀態(tài)，繼續從COSS中吸取電荷，COSS的電壓降至VOUT以下。
隨著(zhù)COSS電壓的降低，ESL的磁能減少，當磁能達到0時(shí)，COSS停止放電。此時(shí)COSS的電位低于VOUT，電流從輸出電容反向流向低邊開(kāi)關(guān)的COSS，并對COSS充電，同時(shí)ESL中開(kāi)始積蓄與先前方向相反的磁能。
此后，能量在低邊開(kāi)關(guān)的COSS和輸出電容器ESL之間的反復移動(dòng)，并產(chǎn)生因電壓和電流的往復而導致的振蕩狀態(tài)。嚴格來(lái)講，電感分量是由ESL與流過(guò)該充放電電流的環(huán)路的電感分量之和L值以及低邊開(kāi)關(guān)的COSS引起的LC諧振，諧振頻率FZ為 FZ=1/2π√(L×COSS)。
電感分量總計為數nH，COSS的容量為數十～數百pF，因此該諧振頻率通常在數十～數百MHz的范圍內。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和輸出電容器處產(chǎn)生的振鈴會(huì )成為高頻噪聲，該噪聲會(huì )通過(guò)電源輸出線(xiàn)傳播并造成負載電路誤動(dòng)作等故障。
低邊開(kāi)關(guān)導通時(shí)的工作
在低邊開(kāi)關(guān)剛要導通前，“輸出電壓＋VF”的電壓會(huì )被施加給低邊開(kāi)關(guān)的漏極，整流二極管（即高邊開(kāi)關(guān)）中流過(guò)電感電流。從這里開(kāi)始，當低邊開(kāi)關(guān)向導通狀態(tài)轉變時(shí)，流向輸出的電感器電流會(huì )從高邊開(kāi)關(guān)流向低邊開(kāi)關(guān)。
VSW電壓開(kāi)始下降至GND電位，整流二極管（高邊開(kāi)關(guān)）變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)。由于在此之前流過(guò)二極管的電流使二極管的結點(diǎn)處存在自由電子和空穴，因此即使二極管處于反向偏置狀態(tài)也不會(huì )立即變?yōu)榻刂範顟B(tài)，在很短的時(shí)間內有反向電流流過(guò)。該電流稱(chēng)為“反向恢復電流”，該電流使輸出環(huán)路中流過(guò)電流高速變化的反向電流。
當反向恢復電流結束時(shí)，二極管因反向偏壓狀態(tài)而變?yōu)榻刂範顟B(tài)，通過(guò)PN結的耗盡層，成為電容量較小的電容器。當高邊開(kāi)關(guān)采用FET同步整流方式時(shí)，FET具有寄生二極管，因此存在“耗盡層+源極和漏極間的物理結構+柵極電容”形成的電容COSS。充電電流會(huì )隨著(zhù)反向恢復電流流向這些電容。由高邊開(kāi)關(guān)的電容和輸出環(huán)路的電感分量組成的LC諧振電路中，會(huì )產(chǎn)生將反向流動(dòng)的電流作為能量源的高頻噪聲。 |
