通过更好的解耦降低交换机节点振铃

文章:Ryan Panack

在同步降压变换器中,这些技术将在不降低效率的情况下降低开关节点振铃。

高电流、负载点(POL)降压变换器利用金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)为输出滤波器提供脉宽调制(PWM)脉冲序列。buck变换器功率级元件的布局直接影响开关节点上振铃的大小,如果控制不当,会对电源排放、效率和元件应力产生不利影响。

在模拟设计期刊文章中,“控制同步降压转换器中的开关节点振铃Robert Taylor和我研究了几种减少开关节点振铃的方法,通过减缓高边MOSFET的开关或通过缓冲电路抑制开关波形。这两种技术都会在降压变换器中引起额外的损耗。在这里,我将介绍在不降低效率的情况下降低交换机节点振铃的其他技术。

首先,重要的是要了解交换机节点振铃的原因。为了防止buck变换器中的击穿电流,buck控制器集成电路(ICs)在一个MOSFET关闭和互补MOSFET打开之间提供了一个死区时间。在这个死区时间期间,当两个MOSFET都是on和电感电流是正的,电感电流换向通过低侧MOSFET体二极管。从体二极管导电到高侧开关开启的过渡导致体二极管从导电状态强制转换到不导电状态,然后产生一个大的二极管反向恢复电流。

图1说明了在输入电容、MOSFET封装和电路布局中带有附加寄生电感的降压变换器。通过体二极管D1的反向恢复电流,随着控制FET的更快的开关速度和温度的增加,在强制换向期间通过E =½* LI激励寄生电感2。该能量在开关节点上的寄生电感和电容之间产生共振罐。最终,这在交换机节点上显示为过冲并振铃。


图1
与寄生菌的降压转换器。

电路设计人员应尽一切努力尽量减少输入电容器,高端FET,低侧FET和接地返回到输入电容之间的高电流路径中的电感。图2 - 7显示输入电容器位置的重要性。电源下的电源是12V输入,5W降压转换器5V输出。定位输入 - 电压去耦电容远离MOSFET(如图所示)图2)代替靠近IC(如图所示)图3)创建一个大的环路电感。因此,开关节点振铃增加12%,输出纹波增加超过100%,峰值电磁干扰(EMI)增加5dBμV。


图2
具有大去耦面积的降压变换器。


图3具有小去耦面积的降压变换器。


图4
带大型解耦区域的降压转换器开关节点。


图5
去耦面积小的降压变换器开关节点。


图6
具有大去耦区域的电磁干扰峰值。


图7
EMI峰值与小耦合区域。

表1大小去耦区域的比较

比较

SW MAX(v)

输出电压p2p (mV)

EMI峰值(dBµV)

较大的区域

18.1

140

50

较小的区域

16.2

64

45

输入电容器放置不仅重要,而且电容器的类型和大小都扮演重要的角色。由于它们的低等效串联电阻(ESR)和处理脉动,高根均线(RMS)电流的能力,陶瓷电容器是用于降压转换器的输入去耦。聚合物或铝电容器可以支撑陶瓷,用于在输入总线上保持电压,但不要依靠它们来支持负载电流和电感纹波电流。这些电容器具有更高的ESR和等效串联电感(ESL),其限制了当前处理。香料仿真,或德州仪器电源级设计师4.0,可计算不同类型输入电容器间的共流。

您还需要考虑陶瓷去耦电容的包装尺寸。陶瓷电容器的ESL与装置长度成比例。例如,图8显示具有两个不同封装尺寸的电容器的寄生元件,0201和0603。0201的长度为0.6mm,具有239ph的ESL;0603封装电容长度为1.6mm,具有494ph的ESL。


图80201和0603 1500pF电容器寄生元件。

这些电容器的ESL值,即使低于1nH,也会对降压变换器的振铃产生影响。图9和10显示具有两个1500pf 0201电容器的相同降压转换器电路的开关节点振铃和两个1500pf 0603去耦电容。用0201s的峰值为22.8V,而0603S的峰值为25V。


图9
输入0201解耦的开关节点振铃。


图10输入0603解耦的开关节点振铃。

buck变换器对输入电容、半桥mosfet和输入电容的返回路径之间的大电流路径中的寄生电感非常敏感。通过将输入去耦电容尽可能地靠近场效应管的漏源极,并使用适当大小的陶瓷电容器,可以使这些电感最小化。良好的布局和组件选择将使您最大限度地减少交换机节点振铃,并允许更好的电磁干扰性能。

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