解決開(kāi)關(guān)電路振鈴現(xiàn)象：緩沖器設(shè)計(jì)-KIA MOS管

在高頻開(kāi)關(guān)變換器中，處理開(kāi)關(guān)噪聲是設(shè)計(jì)人員共同面臨的挑戰(zhàn)。特別是高邊場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，低側(cè)MOS管的體二極管需要瞬間關(guān)閉。在關(guān)閉過(guò)程中，體二極管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值反向恢復(fù)電流，然后突然關(guān)斷。

因?yàn)橛幸粋€(gè)小但有限的寄生電感的電路，該電路將循環(huán)通過(guò)反向恢復(fù)電流，直到它消失。這將導(dǎo)致電壓超調(diào)和SW節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生振鈴，這是非常不希望的。如果超調(diào)足夠嚴(yán)重，低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可能再次打開(kāi)或進(jìn)入雪崩擊穿。

另一方面，振鈴可能對(duì)地產(chǎn)生負(fù)尖峰，而這些尖峰可能耦合到負(fù)載中的敏感電子元件上，從而導(dǎo)致故障。一個(gè)明顯的解決方案是使用一個(gè)集成肖特基二極管的低側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如AOS SR-FET?。肖特基電路的反向恢復(fù)電流要小得多，這就減少了電路開(kāi)始時(shí)的循環(huán)能量。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，降低開(kāi)關(guān)噪聲的最佳方法是減小寄生電感。寄生電感的來(lái)源是輸入電容和開(kāi)關(guān)器件之間的長(zhǎng)軌跡。此外，驅(qū)動(dòng)器件封裝內(nèi)的連接線也會(huì)產(chǎn)生不良的電感。

應(yīng)遵循良好的布局實(shí)踐，例如將旁路電容放置在非常接近開(kāi)關(guān)器件引線的位置，盡量減少初級(jí)電流回路的面積。當(dāng)開(kāi)關(guān)噪聲是一個(gè)主要問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該使用具有低源電感的封裝，如Ultra SO-8?。

然而，寄生電感在實(shí)際電路中不能完全消除。在大型復(fù)雜系統(tǒng)(如計(jì)算機(jī)主板)中實(shí)現(xiàn)理想的布局可能并不容易。在這些情況下，振鈴問(wèn)題的實(shí)際解決方案是通過(guò)SW節(jié)點(diǎn)到地的一個(gè)緩沖。在這里，我們將考慮簡(jiǎn)單的RC緩沖器，并描述如何設(shè)計(jì)一個(gè)最佳性能。

電路寄生效應(yīng)

上面的原理圖是同步降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化圖。所有寄生電感都集中在一起，顯示為L(zhǎng)ckt。如上所述，它們包括走線電感和封裝電感。與Lck成環(huán)的寄生電容主要來(lái)自處于關(guān)斷狀態(tài)的低端場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出電容Coss。

我們的目標(biāo)是計(jì)算Rsnub和Csnub的值以及緩沖電阻的額定功率。將通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明這種方法。波形是在主板上的輔助同步降壓轉(zhuǎn)換器中獲得的，該轉(zhuǎn)換器為DDR存儲(chǔ)器供電。輸入為5V，輸出1.8V/5A。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是D-Pak中的AOD484。

下圖顯示了電路中沒(méi)有任何緩沖器的嚴(yán)重振鈴現(xiàn)象。峰值過(guò)沖是輸入電壓的三倍。

緩沖電阻計(jì)算

從經(jīng)典電路理論可知，緩沖電阻的最佳值必須等于電路的特性阻抗。在這種情況下，電容值可以從場(chǎng)效應(yīng)晶體管數(shù)據(jù)表中得知，但電感分布在整個(gè)印刷電路板上，很難預(yù)測(cè)。確定Lckt的一個(gè)實(shí)用方法是詳細(xì)查看振鈴波形并測(cè)量其頻率。上方的波形顯示了118 MHz或8.5 nS周期的振鈴頻率。

則有：

AOD484數(shù)據(jù)表給出Vds = 15V時(shí)的Coss值為142 pF。然而，Coss是Vds的函數(shù)，在低電源電壓下可能顯著更高。從特性曲線可以看出，在我們的5V電源下，它接近220 pF。

使用該值，Lckt計(jì)算為8.3 nH，自由振蕩電路的特性阻抗為SQRT (Lckt /Coss) ? 6歐姆。這是衰減振蕩所需電阻的有效值。假設(shè)電路中已經(jīng)存在一些電阻，我們可以選擇5歐姆作為緩沖電阻。（SQRT是開(kāi)根號(hào)的意思）

緩沖電容計(jì)算

緩沖電容值是一個(gè)權(quán)衡。較大的電容器將提供過(guò)阻尼并減少振蕩次數(shù)。但是電容器還存儲(chǔ)CV*CV/2的能量，并在每個(gè)周期消耗它，這對(duì)效率有影響。一個(gè)有用的參數(shù)是Rsnub x Csnub時(shí)間常數(shù)，表示為振鈴周期字符串的倍數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)做法是使用3或更高的倍數(shù)。

在我們的例子中，Csnub的最小值是4.7 nF。在主板中，選擇10 nF的值來(lái)提供額外的阻尼。由于輸入僅為5V，這不會(huì)導(dǎo)致緩沖器過(guò)度損耗。下圖顯示了較低值緩沖器(2 nF + 1歐姆)的效果。將它與右側(cè)的緩沖器進(jìn)行比較，優(yōu)化后的緩沖器為10納法+ 5歐姆。

最后，緩沖電阻的大小應(yīng)能耗散存儲(chǔ)在電容中的能量。

請(qǐng)記住，F(xiàn)sw是轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，而不是振鈴頻率。在我們的例子中，開(kāi)關(guān)頻率為300Hz，功率損耗為37mW，不到輸出功率的0.5%。

結(jié)論

值得重復(fù)的是，電路中的寄生電感分布在整個(gè)印刷電路板上，包括封裝電感。雖然緩沖器元件是假設(shè)它們的有效值來(lái)計(jì)算的，但是沒(méi)有辦法將它們物理地放入電路中以提供理想的阻尼。減少過(guò)沖和振鈴的最佳方法是通過(guò)良好的布局實(shí)踐將電路中不良電感降至最低。選擇合適的低電感封裝低端場(chǎng)效應(yīng)晶體管和/或集成肖特基體二極管將帶來(lái)額外的好處。

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