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探討DC/DC轉(zhuǎn)換器中實際電路模型和開關(guān)節(jié)點的振鈴

鉅大LARGE  |  點擊量:1603次  |  2020年05月03日  

在探討DC/DC轉(zhuǎn)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(chǎn)生無法按預(yù)期工作的情況,往往是因為對它們的考慮不足。本次就“開關(guān)節(jié)點的振鈴”來驗證其主要原因。在設(shè)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(jìn)行說明,要理解各項目需要參考前后相關(guān)項目,因此下面列出包括計劃在內(nèi)的項目一覽。


實際的電路模型和開關(guān)節(jié)點的振鈴

下圖表示同步整流型降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的寄生電容和寄生電感。即藍(lán)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(guān)ON時及OFF時產(chǎn)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(guān)用MOSFET的上升(tr)及下降(tf)時間一般為數(shù)ns。因寄生成分而產(chǎn)生的電壓和電流可通過以下公式計算。


另外,10nH約10mm??此坪苄〉木嚯x,但電流越大產(chǎn)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(chǎn)生振鈴。


振鈴的頻段可按f=1/小時來計算。假設(shè)tr和tf為5ns,則周期可認(rèn)為是10ns,頻段為100MHz,一般的開關(guān)頻率多為500kHz~1MHz,因此產(chǎn)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(chǎn)生怎樣的電流。首先是高邊MOSFET導(dǎo)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(dāng)開關(guān)節(jié)點的電壓等于VIN時,積蓄于L1~L5的能量與C2產(chǎn)生諧振,發(fā)生較大振鈴。


其次,高邊MOSFET關(guān)斷時,同樣寄生電容C2被充電,寄生電感L1~L5積蓄能量,當(dāng)開關(guān)節(jié)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(chǎn)生諧振,發(fā)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(jìn)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(guān)晶體管外置型的電路示例,使用開關(guān)晶體管內(nèi)置型IC時,L1、L2、C2取決于其IC,為固定值,與pCB板布局無關(guān)。


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(guān)節(jié)點中如果布局不當(dāng),會隨著開關(guān)而產(chǎn)生較大振鈴,可能導(dǎo)致無法正常工作或噪聲較多等問題?,F(xiàn)在應(yīng)該明白關(guān)于pCB板布局經(jīng)常提到的“布線要短”的原因了。后續(xù)將介紹具體的配置和布線方法。


關(guān)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(fā)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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