Buck的振铃(Ring)仿佛是贞子的凶铃在午夜徘徊,在未展示最真的内心之前,不甘心就此沉溺废井,沉沦在996的浪潮中。
虚伪吞噬灵魂,在辽阔天地面前,屈辱时不时涌上心头。过去那些,牺牲自己主见去苟且,委屈自己去逢迎。迎合得了周围,却终究骗不过自己的内心。
在同步Buck变换器中,MOS开通与关断瞬间,由于各种寄生电感、电容参数的原因,开关节点会产生高频振荡。该振荡会增加损耗、加重EMI干扰,甚至超出芯片的耐压值而击穿芯片。
深入理解各种寄生参数,知道其危害性,并能找到妥协的手法,是一个工程师成熟的表现,下面简单探讨下Buck的振铃。
理论Buck
如下图,理论中的Buck不考虑寄生参数,是众人眼中的乖宝宝。它通过开关管将输入电压斩波成方波,再经过LC滤波器平滑成较低的直流电压。通过反馈环路(Feedback Loop)调整开关的占空比来稳定输出。作为一种基本拓扑,Buck被研究的很透了,没有什么好讲的。

现实Buck
但在实际应用中,Buck的表现却令人大跌眼镜,很多项目问题大概率都和电源有关。对于工程师来说,将电源设计细致至关重要,你不在开发阶段努力打磨它,上市后它就会反客为主,敲打你。
每种导体都有寄生电阻和寄生电感,每种半导体在关断时都会表现出寄生电容,这些寄生参数就像隐形刺客兰陵王,随时准备搞破坏。
回归到电路基本理论,SW节点振铃最根本的原因,就是电路中的寄生电感(L) 和寄生电容(C) 构成了一个LC谐振电路。当开关管状态发生突变时,会向这个LC电路注入一个能量冲击,从而引发了阻尼振荡(亦存在寄生电阻),也就是我们看到的振铃。如下图,你觉得瞬间闭合开关,电容上的电压会怎样变化?我说它就像被吓到的猫,一下子跳起来,你信不信。

如下图,简要列举了实际Buck的各种寄生电感和寄生电容,并且列举了开关节点(SW)波形,其上升沿和下降沿都存在振铃。


当Q1导通、Q2关断时,由于是瞬间完成导通,主电感来不及参与振铃,check通路中的寄生电感和寄生电容,主要由路径上的总寄生电感(LpVIN + LpGND+ LTRACE + ESL_Cin)和Q2的Coss构成。需要再次说明的是,MOS管处于关断状态才有Coss寄生电容;导通时不存在寄生电容,被Rds_on短路掉了。

而当Q1关断时,根据电感电流不能突变的原理,它会寻找新的电流路径。

但因为同步Buck存在死区时间,此时下管Q2还未开启,电流会强行通过下管的体二极管,形成续流路径。SW节点的电位会从输入的Vin电压急剧下拉到约 -0.7V(Q2体二极管的导通压降)。这是一个巨大的电压阶跃(dv/dt),急剧的电压变化亦会产生振荡,但因为被Q2体二极管钳位消耗,所以ring幅度小。
由于寄生电感中的储能等于1/2*I^2*L,所以振铃信号的幅度将随负载电流的增加而增加。此外,该信号的频率范围通常在200~400MHz之间,可导致高频EMI辐射。
实际开发时,如果测试到过大的振铃信号,通常意味着较大的寄生电感,需要对PCB布局设计进行检查、修正。
IC的封装也会影响振铃状况,打线方式的封装的寄生电感会比晶圆倒装封装更大,其表现就会更差一些。
ring解决方案
理解了成因,便能找到行至有效的抑制措施了。
- 减小寄生电感是治本之策,不断优化PCB布局,使用宽而短的走线,尽可能缩小输入电容到上下管,再回到输入电容GND的功率环路面积。做好接地,最好使用带有主地层的PCB板。
- 增加阻尼来消耗能量,使用RC吸收电路(Snubber),在SW节点和地之间串联一个电阻和电容。电阻的作用就是消耗振荡的能量,使其快速衰减。需要仔细计算R和C的值,以达到最佳吸收效果且不会引入过大损耗。
