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探討DC/DC轉換器中實際電路模型和開關節點的振鈴

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月03日  

在探討DC/DC轉換器的pCB板布局之前,需要了解實際的印刷電路板中存在寄生電容和寄生電感。它們的影響之大超出想象,即使電路沒錯,因布局而產生無法按預期工作的情況,往往是因為對它們的考慮不足。本次就“開關節點的振鈴”來驗證其主要原因。在設計實際的布線圖形時,對寄生成分等的處理無處不在。


本章中還就以下項目進行說明,要理解各項目需要參考前后相關項目,因此下面列出包括計劃在內的項目一覽。


實際的電路模型和開關節點的振鈴

下圖表示同步整流型降壓型DC/DC轉換器電路的寄生電容和寄生電感。即藍色的C和L。在實際的電路中,存在印刷電路板的寄生電容和寄生電感,開關ON時及OFF時產生如示意圖所示的高頻振鈴。


印刷布線的電感值每1mm約1nH左右。也就是說,如果布線過長(多余布線),布線電感值將增高。此外,開關用MOSFET的上升(tr)及下降(tf)時間一般為數ns。因寄生成分而產生的電壓和電流可通過以下公式計算。


另外,10nH約10mm。看似很小的距離,但電流越大產生的電壓也越大。


此外,由公式可知,MOSFET的tr和tf越短,電流和電壓都越大。tr和tf越快速,過渡損耗越低,可提高效率,但更容易產生振鈴。


振鈴的頻段可按f=1/小時來計算。假設tr和tf為5ns,則周期可認為是10ns,頻段為100MHz,一般的開關頻率多為500kHz~1MHz,因此產生其100~200倍的高頻。


接下來介紹因本電路模型的寄生成分產生怎樣的電流。首先是高邊MOSFET導通時的示意圖。寄生電容C2被充電,寄生電感L1~L5積蓄能量,當開關節點的電壓等于VIN時,積蓄于L1~L5的能量與C2產生諧振,發生較大振鈴。


其次,高邊MOSFET關斷時,同樣寄生電容C2被充電,寄生電感L1~L5積蓄能量,當開關節點的電壓幾乎接近GND水平時,積蓄于L1~L5的能量此次與C1產生諧振,發生較大振鈴。寄生電感中積蓄的能量和諧振頻率可按右下公式進行計算。


電感L4由CBYpASS的特性決定。另外,L3和L5受pCB板布局的影響很大。本電路是開關晶體管外置型的電路示例,使用開關晶體管內置型IC時,L1、L2、C2取決于其IC,為固定值,與pCB板布局無關。


綜上所述,實際的印刷電路板中存在電路圖中沒有的成分,因此,比如開關節點中如果布局不當,會隨著開關而產生較大振鈴,可能導致無法正常工作或噪聲較多等問題。現在應該明白關于pCB板布局經常提到的“布線要短”的原因了。后續將介紹具體的配置和布線方法。


關鍵要點:


?實際的印刷電路板中,存在電路圖中沒有的寄生電容和寄生電感。


?寄生成分可能引發振鈴等問題。


?pCB板布局要記住這些要點,爭取最佳布局。


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