解析開關(guān)電源中的振鈴-KIA MOS管

什么是“振鈴”？

在開關(guān)電源的應(yīng)用電路中，我們測試MOS管或者二極管兩端的電壓，經(jīng)常能夠觀測到其在開關(guān)狀態(tài)下的“振鈴”現(xiàn)象。

如下圖，CH4為 某個(gè)BOOST電路二極管兩端的電壓，當(dāng)MOS關(guān)閉的瞬間，二極管兩端產(chǎn)生的嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象。

振鈴的害處

振鈴信號(hào)一般頻率較高，會(huì)對(duì)周圍的器件產(chǎn)生EMI干擾，影響其他器件的正常工作，甚至燒毀器件。

因此，需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路的時(shí)候?qū)⒄疋徔刂圃谝粋€(gè)合理的范圍內(nèi)。這里需要注意區(qū)分的是“振鈴”還是“超調(diào)”，當(dāng)開關(guān)電源出現(xiàn)負(fù)載突變，通過反饋回路對(duì)輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，此時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一些超調(diào)，但是該超調(diào)并不等同于回路上的振鈴。

如下圖所示，左圖展示了高頻的振鈴疊加在輸出電壓上，而右圖展示了由于電源自身的反饋回路引起的超調(diào)。

振鈴是如何產(chǎn)生的？

我們知道，振蕩一般是由于開關(guān)回路中的寄生參數(shù)引起的；

下圖展示了BOOST關(guān)鍵回路中的寄生參數(shù)，寄生的電容電感和采樣電阻構(gòu)成了LCR串聯(lián)諧振，環(huán)路越長寄生的電感也就越大；

寄生電容一般由半導(dǎo)體器件的結(jié)電容引起，MOS和二極管都存在這樣的寄生電容，因此，寄生參數(shù)的水平也決定了開關(guān)器件工作頻率的上限。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)電源的時(shí)候要盡量減小關(guān)鍵路徑上的長度，同時(shí)要選用合適的開關(guān)器件。

問題的等效

這樣我們可以把“振鈴”問題等效成一個(gè)LCR串聯(lián)諧振的問題，L主要存在于Layout的關(guān)鍵路勁中，C存在于開關(guān)器件的結(jié)電容，R主要為關(guān)鍵路徑內(nèi)的采樣電阻。

我們知道存在三種阻尼狀態(tài)過阻尼、欠阻尼和臨界阻尼。我們最希望調(diào)節(jié)到的狀態(tài)是稍微有一點(diǎn)點(diǎn)欠阻尼即可，這樣兼顧了響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。

其中：

最后，對(duì)振鈴的抑制就是轉(zhuǎn)化成對(duì)阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)。

如何控制“振鈴”？

1、控制關(guān)鍵路徑上的寄生參數(shù)通過合理的布局器件和Layout將環(huán)路的寄生參數(shù)降到最低。

2、采用寄生參數(shù)更小的器件。

3、提高采樣電阻值，增大阻尼系數(shù)，該方法會(huì)增加采樣電阻上的損耗。

4、增大驅(qū)動(dòng)電阻，減緩開關(guān)器件的速度，該方法會(huì)增加開關(guān)管上的損耗。

5、通過RC-snubber 吸收電路減緩振鈴，該方法會(huì)增加開關(guān)管上的損耗。

以上的幾種方法需要根據(jù)電路的實(shí)際情況進(jìn)行靈活應(yīng)用，同時(shí)要評(píng)估對(duì)整機(jī)的效率以及散熱的影響。

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