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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t8w7.html