利用Snubber电路消除开关电源和Class D功放电路中的振铃
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关键词: 开关电源, Class D功放,振铃
应用笔记6287
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(容量决定:
),品质因数(Q值)。谐振频率由电感量和电
。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
,其中RP是并联谐振电路的等效并联电
量之比。并联谐振电路的Q值为:
阻。串联谐振电路的Q值为:路的等效串联电阻。
,其中RS为串联谐振电
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:或。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。
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过冲OS(%)。
图二过冲图示
表一:不同阻尼系数对应的过冲OS(%) 阻尼系数 0.05 0.1 过冲量
0.15 0.2
0.25 0.3
0.35
0.4
0.45
85.4% 72.9% 62.1% 52.7% 44.4% 37.25% 30.93% 25.4% 20.6%
0.55
0.6
0.65 0.7
0.75 0.8
0.85 0.9
阻尼系数 0.5 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)。
图三 LC谐振电路
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。
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。
图七通过在PCB上焊接接地点改善测量结果
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。
图九开关电源和D类功放电路里的寄生电感和电容
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电容
串联构成。其中电阻
用来调节LC谐振电路的阻尼系数。
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
的存在,PWM信号
PWM开关频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容会一直加在电阻
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。
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:
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
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
电容
的选择:
。可以选取18欧姆的电阻。
元件值的选取原则是,在LC谐振频率(振铃频率)的阻值。对PWM开关信号,又要呈现出足够高的容抗。
采用18欧姆电阻时,PWM开关信
处,容抗要远小于图十四是
采用560pF的电容,
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。
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
的容量,跟电阻
上,而能量消耗的多少又取决于电容
充
的值无关。这是因为:PWM信号给电容
电时,电路给snubber电路提供的能量为(
),另一半被
消耗掉。改变
,而电容只得到了其中的一半
的电阻值,只是改变了电容
所消耗的总能量。
充电的速度和消耗能量的速度,而不改变充电一次
消耗。
放电时,电容储存的能量被能量消耗为
。
功率消耗为:
在一个PWM开关周期的
,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而可以降低snubber电路引入的功率损耗。
电容,从
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。
参考文献
“Radio-Frequency Electronics Circuits and Applications” by Jon B. Hagen
? “EMC for Product Designers” Forth Edition by Tim Williams
? “基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 (第3版) ” Sergio Franco 著,刘树棠朱茂林荣玫译
?
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