在BUCK电路中,咱们硬件工程师们常常会遇到一个棘手的问题:开关节点SW在开关瞬间会产生剧烈的电压振荡和过冲,专业名称振铃Ringing。这种振铃不仅是电磁干扰EMI的主要来源,其电压尖峰还可能超过MOSFET或者BUCK芯片SW引脚的耐压极限,导致器件损坏,危害不可谓不大。接下来我们就结合理论分析以及仿真波形来验证解决SW节点振铃的方法。要解决问题,必先溯其根源。SW节点的振荡是怎么来的呢?其本质是电路板上看不见的寄生电感Lp和寄生电容Cp形成了一个LC谐振回路,在开关管高速开关的激励下产生的阻尼振荡。那寄生电感Lp是怎么来的呢?它主要来源于功率回路的PCB走线、元器件尤其是MOSFET的引脚和封装。在高侧MOSFET关断、低侧MOSFET导通的瞬间,环路电流的变化率di/dt极高,这条路径上的寄生电感便被激发了。
寄生电容Cp怎么来的呢?它主要由低侧MOSFET的输出电容COSS和PCB的杂散电容构成。当高侧MOSFET导通时,低侧MOSFET处于关断状态,其COSS在SW节点和地之间尤为突出。
当电源高速开关时,就会激励这个由Lp和Cp组成的LC谐振,从而形成了我们观测到的高频振荡。
下面是一个异步BUCK电源电路,输出电压是5V
可以发现SW节点没有出现振铃,为了模拟出振铃,我们在二极管上串联一个电感,模拟寄生电感:解决振铃,大家相信第一反应都是加个电容再串联个电阻,也就是Snubber电路,那Snubber电路的电阻和电容该怎么选呢?有两种方法,一种是试凑法,啥叫试凑法呢?就是放个10nF的电阻,再串联个10nF的电容,看看效果,效果不好咱就接着换,一边试,一边观察振铃,直到凑出来一个有效果的电容值和电阻值,过程当然是麻烦点。另一个方法就是理论计算方法,字数较多,这里不做赘述,改日另开文章专门介绍。接下来我们就在SW节点放置一个10nF电容和10Ω的电阻:看看SW节点波形的变化:可以看出SW节点负向的振铃已经没了。1nF电容和10Ω的电阻:SW节点负向的振铃又出现了20nF电容和10Ω的电阻:SW节点关断时间增加了修改电阻,效果似乎不大,Snubber对下面红圈中的振铃始终没啥改善,大家有什么好方法吗?欢迎评论,改天我们再聊聊这个问题。