使用RC緩沖電路去除開關節點諧波噪聲

DC-DC----緩沖電路設計

引言：降壓轉換器IC的開關節點容易產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，本節簡述如何使用RC緩沖電路去除開關節點諧波噪聲。

1.RC緩沖電路

如圖20-1是一個典型的降壓DC-DC的結構簡圖：

圖20-1： 降壓開關轉換器電路

圖20-2：考慮寄生參數的電路

但實際上如圖20-2所示會存在很多寄生電感LP和寄生電容CP，高邊開關在導通和關斷時，由于寄生電感蓄積的能量，在輸入環路里會產生共振。因為寄生參數的值由于非常小，所以共振頻率可以達到數百MHz以上，如圖20-3的開關振鈴，會導致EMI特性劣化。

圖20-3：SW開關節點振鈴波形

RC緩沖電路是用來去除高次諧波噪聲的一種有效方法，如圖20-4所示在開關節點只需追加RC網絡就可以實現降低高次諧波噪聲。

圖20-4：RC緩沖電路

圖20-5展示了緩沖電路的動作過程：當高邊開關導通時，寄生電感蓄積的能量通過緩沖電容CSNB ，作為靜電能量存儲在電容里。開關節點電位會上升到輸入電壓VIN，當充電到VIN時，電容儲存了1/ 2×CSNB×VIN×VIN能量。這時候緩沖電阻RSNB里會產生與充電能量相同的1/ 2×CSNB×VIN×VIN阻抗損耗。當低邊開關導通時，開關節點會降低到GND電位，所以緩沖電容CSNB蓄積的能量會通過緩沖電阻(阻尼電阻)放電。這時候緩沖電阻RSNB會消耗1/ 2×CSNB×VIN×VIN能量。作為這個公式的補充說明，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 常數設定足夠長的話，只由電容容量和電壓決定。充電時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儲存在電容里。放電時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，只會充放電所需時間發生變化，但是這個比例是一定的。

開關一個周期合計會由電阻產生CSNB×VIN×VIN損耗，僅開啟關斷的次數就會產生損耗，所以產生損耗由CSNB×VIN×VIN×fsw求得。即使無負載，但是只要有開關動作，緩沖電路就會產生損耗，所以這就成了效率降低的要因。

圖20-5：緩沖電路的動作過程

2.計算RC的值

介紹了消除振鈴的緩沖電路RC值由下面兩個公式求得：

LP和CP2是寄生參數，有手冊不公開該信息，或值太小難以進行參數計算。下述實例按照一邊在實機上測量實際的開關波形，一邊計算相關參數的方法進行說明。

3.RC值計算步驟

1. 使用示波器測得振鈴頻率fr。

2. 在開關節點和GND之間接入電容CP0，求得振鈴頻率變為1/2時的電容值。

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設為和特性阻抗Z同等程度的值:RSNB≥Z

7. 緩沖容量CSNB設為寄生容量CP2的1～4倍。

8. 求得緩沖電阻RSNB的消耗功率。

4.RC值計算實例

這里一邊進行實際測量一邊按照RC值計算步驟進行說明。

因為需要使用示波器來測量振鈴頻率，所以在測試點的開關節點處一定要會使用探頭。為了降低探頭附加在開關節點處的寄生容量，將探針前端的掛鉤尖端除去，使探頭直接接觸開關節點，因為接地引線會附加電感成分所以去掉。取而代之的是安裝接地引線適配器，使接地長度最小化，放大振鈴波形，圖20-6測得頻率為217.4MHz。

圖20-6：測定振鈴頻率

圖20-7：追加CP0

如圖20-7所示，在開關節點和GND間接入電容CP0，求得振鈴頻率變為1/2時的電容值。該例將217.4MHz的一半108.7MHz作為目標，實驗結果顯示當追加680pF電容時，如圖20-8所示，振鈴頻率約為108.7MHz)。

圖20-8：將 CPO設為 680pF 時的振鈴頻率

振鈴共振頻率由

決定，因此容量值變為4倍的話，頻率降為一半。也就是可以推測寄生容量CP2為附加電容CP0的1/3。CP0為680pF時，寄生容量CP2就如下式所示求得：

寄生容量CP2計算得出后，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。為了簡化計算，不考慮傳輸線路損耗，由理想的實際數值計算：

6.為了衰減振鈴，有必要將緩沖電阻RSNB設為和共振特性阻抗Z同等大?。篟SBB≥Z，這里實例選取3.3Ω。

緩沖容量CSNB設定為寄生容量CP2的1～4 倍。計算結果為227pF、454pF、681pF、908pF，實物容值為220pF、470pF、680pF、1000pF。依次改變這些容量，觀測振鈴波形。結果如圖20-9至圖20-13所示，可以判斷出當容值為680pF時，可以獲得無振鈴的良好波形。當振鈴不消失時，將容量值進一步增加到10倍程度觀測波形。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、開關頻fSW為1MHz，因此

緩沖電阻產生了17mW損耗，這個例子損耗雖然小，但是輸入電壓高的時候損耗也變大，因此不注意電阻的額定功率的話，緩沖電阻就會燒毀。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、開關頻率fSW為1MHz時：

產生了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。這個例子雖然選擇了3.3Ω和680pF兩個常數，但是這個只對一開始測定的振鈴頻率有效，還得必須考慮輸入電壓或負載電流變化時這些參數也會變化的可能性，不管哪種條件都需要將最大程度減弱振鈴作為目標值。