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                利用Snubber电路消除开关⊙电源和Class D功放电路中的振铃

                2016-5-4 18:27:13      点击:

                利用Snubber电路消除开关电︾源和Class D功放电路中的振铃

                Frank Pan, CPG部门高级应用工程师


                摘要:开关电源ω 和Class D功放,因为电路工作在开关状态,大大降低了∏电路的功率损耗,在当今的电子产品中得到了广泛的应用。由于寄生电感和寄生电容的存在,电路的PWM开关波※形在跳变时,常常伴随着振铃现象。这Ψ 些振铃常常会带来令人烦恼的EMC问题。本文对振铃进行探讨,并采用snubber电路对PWM开关信号上◤的振铃进行抑制。 

                振铃现象

                在开关电源和Class D功放电路中,振铃大多是由电路的寄生电感○和寄生电容引起的。寄生电感和寄生电容构成↓LC谐振电路。 LC谐振电路常常用两个参数来描述其谐振特性:振荡频率(),品质因数(Q值)。谐振频率由电感量和电容量决」定:。品质因数可以定义为谐振电路在一个周期内储存能量与消〓耗能量之比。并◤联谐振电路的Q值为:,其中RP是并联谐振电路的等效并联电阻。串联谐振电路的Q值为:,其中RS为串联谐振电路的等效串联电阻。

                在描述LC电路的阶跃跳变时▆,常用阻尼系数() 来描述电路【特性。阻尼系数跟品质因数的关系是:。在临界阻尼(=1)时,阶跃信号能在最短时间内跳变到终值,而不伴随振铃。在欠阻尼(<1)时,阶跃信号◇在跳变时会伴随振铃。在过阻尼(>1)时,阶跃信号跳变时不伴随振铃,但稳定到终↑值需要花费比较长的时间。在图一中,蓝,红,绿三条曲线分别为欠阻尼(<1),临界阻尼(=1),过阻尼(>1)时,对应的阶跃波形。

                不同阻尼系数对应的阶跃信号
                图一 不同阻尼系数对应的阶跃信号
                (从左至〖右分别为欠阻尼,临界阻尼,过阻尼时对应的阶跃信号)

                我们◆容易得到并联LC谐振电路的阻尼系数∑ :。在我们不改变电路的寄生电感∩和寄生电容值时,调整等效并联电阻可以改变谐振电路的阻尼系数,从而控制电路的振铃。

                阶跃信号因振铃引起的过冲跟阻尼系数有对应的关系:OS(%)定义为过冲量的幅度跟信号幅⊙度的比值,以百分比表示。表一列出了不同阻尼系数对应的卐过冲OS(%)。

                过冲图示
                图二 过冲图示

                表一: 不同阻尼系数对应的过冲OS(%)

                阻尼系数0.050.10.150.20.250.30.350.40.45
                过冲量85.4%72.9%62.1%52.7%44.4%37.25%30.93%25.4%20.6%
                阻尼系数0.50.550.60.650.70.750.80.850.9
                过冲量16.3%12.6%9.5%6.8%4.6%2.8%1.5%0.6%0.15%

                振铃的危害

                对于振铃,我们直观感受到的是示波器屏幕上的电压的波动。实际带来问题的通常ㄨ是电路的电流的谐振。在图三所示的电路里面,当PWM开关信号V1在0V和12V切换时,流过电感L1和电容C1的谐振╲电流可以达到安培量级,如图四◥所示。在高频(图三所示电路的谐振频率为232MHz,开关电源和Class D电路里常见的振铃频率在几十兆到几百兆Hz之间),安培量级的电流,通过很小的回路,都可※能造成辐射超标,使产品无法通过EMC认证。

                注:10米处电场强度计算公式为:,单位为伏特/米。其中f为电流的频率(MHz),A为电流的环路面积(CM2 ),Is为电流幅度(mA)。

                LC谐振电路
                图三 LC谐振电路

                电容C1两端的电压和流过【电容C1的谐振电流
                图四 电容C1两端的电压和流过电容C1的谐振电流

                避免测量引入的振铃

                为了提高电路的¤效率,开关电源和Class D功放的PWM开关信号的上升/下降时间都比较短,常常在10ns量级。测量这样的快速切换信号,需要考虑到示波器探头,特别是探头的接地线对测量结果的影响。在图五的■测量方法中,示波器探头的地线过长,跟探头尖端的探针构成很大的回路。捕获到的信号出现了很大的振铃,如图六所示。

                示波ω器探头上长的地线会影响PWM开※关信号的测量结果
                图五 示波器探头上长的地线』会影响PWM开关信号的测量结果

                图五测量方法对应的测试结果
                图六 图五测量方法对应的测试结果

                为了□ 降低示波器探头对测量结果的影响,我们在电路板上焊接测量接地探针,并去除示波器探头上的地线,如图七所示。通过这种方法,我们可以大大降低示波器探头地线对测量引入的振铃。图八是使用这种方法捕获到的PWM开关信号的前后沿波形。

                通过在PCB上焊接接地点改善测量结果
                图七 通过在PCB上焊接接地点改善测量结果

                图七测量▅试方法对应的测试结果
                图 八 图七测量试方法对应的测试结果

                开关电源和Class D功放电路中的谐振电路

                在开关电源和Class D功放电路中,芯片退耦电『容到芯片电源引脚之间的PCB走线,芯片电源引脚到内部硅片之间的邦∞定线可以等效成一个寄生电感。在功率MOSFET截止时,功率MOSFET电极之间的电容 (Cgs,Cgd,Cds) 可等效成一个寄生电容。如图九所示。这些寄生█电感和寄生电容构成了LC谐振电路。图九中的高端MOSFET导通,低端MOSFET截止时,可以等效成图十所示的LC谐振电路。为了提@高电路的效率,当今芯片内部集成的功率MOSFET的都做得比较小▼,常常在几十毫欧到几百毫欧之间。这意味着谐振电路的阻尼系数可能很小。造成的结果是在PWM开关切换时,伴随着比较大的振铃ξ 。

                开关电源和D类功放电路里的寄生电感和←电容
                图九 开关电源和D类功放电路里的寄生电感和电容

                图九中◣高端MOSFET导通,低端MOSFET截止时的等效电路
                图十 图九中高端◆MOSFET导通,低端MOSFET截止时的等效电路

                利用Snubber抑制振铃

                上面对LC谐振电路的振铃做了介绍。下面介绍利用snubber电路对振铃进行抑∮制。如图十一中虚线框内的电路▆所示,Snubber电路由一个小阻值的电阻和一个电容串联构成。其中电阻用来调节LC谐振电路的阻尼系数。电容在振铃频率(即LC谐振频率)处呈现很低的容抗,近似√于短路。在PWM开关频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容的存在,PWM信号会一直加在电阻两端,电阻会消耗过多的能量。

                下面给选取合适的电◤阻值,让PWM开关信号能快速稳定到终值,而又不产生振★铃(临界阻尼)。我们以图十一的电路为例。其中L1是电路的寄生电感,C1是电路的寄生电容, 是电路的等效并联电阻。

                snubber电路
                图十一 snubber电路

                整理得到:

                用snubber改善振铃实例

                下面以一个实例介绍snubber电路元件值的选取。图十二a 是一款降压DC-DC在PWM开关引脚处〗测到的波形。在PWM信号开关时,伴随着振铃现象。通过示波器测量到的振铃频率为215.5MHz。我们可以构建第一个方程:

                图十二

                为了得到L1和C1的值,我们需要构建∏另外一个方程。我们给电容C1并联△一个小电容:在PWM引脚临时对地焊接一个56pF的电容。这时,振铃频率变为146.2MHz,如图十二b。据此,我们构建另一个方程:

                通过上面两个方程,可以很︽快计算出C1=47.7pF,L1=11.4nH。

                然后,我们根据过冲量来计算等效并联电阻。从图十三读出过冲OS(%)为28%,对应的阻尼系数()值为0.37。,得到

                阶跃信号过冲
                十三 阶跃信号过冲

                我们得到了电路的L1,C1和的值,带入我们前面得到的公式,计算得到。可以选取18欧姆的电阻。

                电容的选择:元件值的选取原则是,在LC谐振频率(振铃频率)处,容抗要远小于的阻值。对PWM开关信号,又要呈现出◥足够高的容抗。图十四是采用560pF的电容,采用18欧◣姆电阻时,PWM开关信号的前沿波形。对比图十二a中的波形,振铃得到了很大的改善。

                加入snubber电路后的PWM前沿波形
                图十四 加入snubber电路后的PWM前沿波形

                Snubber电路的能量消耗

                Snubber电路中能量消耗在电阻上,而能量消耗◣的多少又取决于电容的容量,跟电阻的值无关。这是因为:PWM信号给电容充电时,电路给snubber电路提供的能量为,而电容只得到了其中的一半(),另一半被消耗掉。改变的电阻值,只是改变了电容充电的速度和消耗能量的速度,而不改变充电一次所消耗↘的总能量。放电时,电容储存的能量被消耗。在一个PWM开关周期的能量消耗为功率消耗为:,其中为PWM开关频率,V为snubber两端的电压幅度峰峰值。

                有些应用场合对电路的效率有很高的要求,对snubber电路消耗的功率也需要进行限制。遇到这种情况,可以适当调整snubber电路的元件值,在PWM信号的振铃和功率消耗之间取得平↙衡。

                降低snubber功耗的另外一个有效办法是降低电路的寄生电感:把退耦电容尽量靠近芯片放置,加粗退耦电容到芯片之间PCB走线的宽度。从前面提到的公式()可以看出,降低了寄生电感L1,在其他电路参数不改变的情况下,要保持同样的阻尼系数,需要更小的电阻值。同时,寄生电感降低后,电路的振铃频率会提高。这都允许我们选用更小容值的电容,从而㊣可以降低snubber电路引入的功率损耗。

                总结

                我们讨论了开↓关电源和Class D功放电路里PWM信号的振铃现象,振铃带来的危害,振铃引起的过冲和电路的阻尼系数的对应关系。然后介绍了如何用snubber对振①铃进行抑制。最后通过一个实例介绍了snubber电路里元件值的选︽取。在介绍过程中,引入了一些简单的数学公式。这些数学公式有助于加深我们对概念的理解。