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升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因

發(fā)布時(shí)間:2024-03-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中,當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)導(dǎo)通時(shí),會(huì)使電感電流增加并積蓄能量;當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷時(shí),積蓄的能量會(huì)被釋放,從而使電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)引起的高電壓,最終形成高于輸入電壓的輸出電壓。在開關(guān)工作期間,電壓和電流的高速變化會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng),該振動(dòng)會(huì)成為高頻噪聲并通過輸出線路被傳播和輻射出去,從而造成故障。


本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

?在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中,高速變化的脈沖狀電流會(huì)流入輸出,從而引發(fā)振鈴并產(chǎn)生高頻噪聲。
?低邊開關(guān)關(guān)斷時(shí)振鈴的能量源來自高邊開關(guān)的導(dǎo)通延遲和輸出環(huán)路的電感使開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓上升至高于輸出電壓后的電位差。
?低邊開關(guān)關(guān)斷時(shí)的振鈴是由低邊開關(guān)的COSS和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。
?低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)振鈴的能量源來自高邊開關(guān)的反向恢復(fù)電流和對(duì)高邊開關(guān)電容的充電電流。
?低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的振鈴是由高邊開關(guān)的電容分量和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。

本文介紹第一個(gè)主題“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因”。

關(guān)于升壓電源的輸出中產(chǎn)生遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率的高頻噪聲的原因,將從“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作”、“輸出電容器和布線中的電感分量”、“低邊開關(guān)的輸出容量和振鈴”和“低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的工作”幾個(gè)角度進(jìn)行說明。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作

在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中,當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)導(dǎo)通時(shí),會(huì)使電感電流增加并積蓄能量;當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷時(shí),積蓄的能量會(huì)被釋放,從而使電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)引起的高電壓,最終形成高于輸入電壓的輸出電壓。在開關(guān)工作期間,電壓和電流的高速變化會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng),該振動(dòng)會(huì)成為高頻噪聲并通過輸出線路被傳播和輻射出去,從而造成故障。


升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因


首先來了解一下低邊開關(guān)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷過程中的詳細(xì)工作。在低邊開關(guān)FET完全導(dǎo)通的狀態(tài)下,漏極和源極之間的電阻為RDSON的阻值,漏極電壓為“RDSON×電感電流”。從此時(shí)開始,當(dāng)FET的柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí),漏極和源極之間的電阻值上升,漏極電壓也開始上升。

當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷時(shí),漏極和源極之間會(huì)產(chǎn)生容性分量COSS,部分電感電流會(huì)被用來對(duì)COSS充電。由于流經(jīng)漏極和源極間電阻分量的電流導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗,以及充入COSS的電荷量,使部分能量損失,與此同時(shí)漏極電壓繼續(xù)上升。


升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因


當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓VSW變得高于輸出電壓時(shí),高邊開關(guān)整流二極管被正向偏置。即使正向偏置電壓高于整流二極管的VF,由于整流二極管存在導(dǎo)通延遲,因此電流也不會(huì)開始流動(dòng),漏極電壓上升至高于“輸出電壓+VF”的電壓。經(jīng)過數(shù)ns的導(dǎo)通延遲后,整流二極管變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài),電感電流開始向輸出電容器充電。

輸出電容器和布線中的電感分量

由于整流二極管的導(dǎo)通延遲,已上升至高于輸出電壓電位的VSW被施加給輸出電容器,因電位差很大,輸出電容器開始被快速充電。在此之前,輸出電容器一直通過放電向負(fù)載提供電流,但從此時(shí)開始將通過電感電流進(jìn)行充電。從放電到充電,流經(jīng)電容器的電流以納秒級(jí)的速度改變?yōu)橄喾吹姆聪颉?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
電容器的電感分量ESL為數(shù)nH~數(shù)十nH,但根據(jù)由充放電電流的變化值ΔI(以A為單位)和變化速度ΔT(以ns為單位)組成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT,在ΔT的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生反電動(dòng)勢(shì)ΔV,輸出電容器中也會(huì)產(chǎn)生高電壓。因此,輸出電容器會(huì)在整流二極管剛剛導(dǎo)通后立即產(chǎn)生尖峰狀的高電壓。


升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因


低邊開關(guān)的輸出容量和振鈴

COSS被充電,達(dá)到輸出電容器中也會(huì)產(chǎn)生的尖峰狀高電壓的程度,然后COSS中存儲(chǔ)的能量被釋放并流入輸出電容器,并以磁能的形式存儲(chǔ)在電感分量ESL中。

當(dāng)COSS的電壓通過放電下降到VOUT的電位時(shí),電位差消失,ESL中的磁能停止增加,利用ESL此前積蓄的磁能,進(jìn)入恒流狀態(tài),繼續(xù)從COSS中吸取電荷,COSS的電壓降至VOUT以下。

隨著COSS電壓的降低,ESL的磁能減少,當(dāng)磁能達(dá)到0時(shí),COSS停止放電。此時(shí)COSS的電位低于VOUT,電流從輸出電容反向流向低邊開關(guān)的COSS,并對(duì)COSS充電,同時(shí)ESL中開始積蓄與先前方向相反的磁能。

此后,能量在低邊開關(guān)的COSS和輸出電容器ESL之間的反復(fù)移動(dòng),并產(chǎn)生因電壓和電流的往復(fù)而導(dǎo)致的振蕩狀態(tài)。嚴(yán)格來講,電感分量是由ESL與流過該充放電電流的環(huán)路的電感分量之和L值以及低邊開關(guān)的COSS引起的LC諧振,諧振頻率FZ為 FZ=1/2π√(L×COSS)。


升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因


電感分量總計(jì)為數(shù)nH,COSS的容量為數(shù)十~數(shù)百pF,因此該諧振頻率通常在數(shù)十~數(shù)百M(fèi)Hz的范圍內(nèi)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出電容器處產(chǎn)生的振鈴會(huì)成為高頻噪聲,該噪聲會(huì)通過電源輸出線傳播并造成負(fù)載電路誤動(dòng)作等故障。

低邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的工作

在低邊開關(guān)剛要導(dǎo)通前,“輸出電壓+VF”的電壓會(huì)被施加給低邊開關(guān)的漏極,整流二極管(即高邊開關(guān))中流過電感電流。從這里開始,當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),流向輸出的電感器電流會(huì)從高邊開關(guān)流向低邊開關(guān)。

VSW電壓開始下降至GND電位,整流二極管(高邊開關(guān))變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)。由于在此之前流過二極管的電流使二極管的結(jié)點(diǎn)處存在自由電子和空穴,因此即使二極管處于反向偏置狀態(tài)也不會(huì)立即變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài),在很短的時(shí)間內(nèi)有反向電流流過。該電流稱為“反向恢復(fù)電流”,該電流使輸出環(huán)路中流過電流高速變化的反向電流。


升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因


當(dāng)反向恢復(fù)電流結(jié)束時(shí),二極管因反向偏壓狀態(tài)而變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài),通過PN結(jié)的耗盡層,成為電容量較小的電容器。當(dāng)高邊開關(guān)采用FET同步整流方式時(shí),F(xiàn)ET具有寄生二極管,因此存在“耗盡層+源極和漏極間的物理結(jié)構(gòu)+柵極電容”形成的電容COSS。充電電流會(huì)隨著反向恢復(fù)電流流向這些電容。由高邊開關(guān)的電容和輸出環(huán)路的電感分量組成的LC諧振電路中,會(huì)產(chǎn)生將反向流動(dòng)的電流作為能量源的高頻噪聲。



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