DCDC电源SW电压尖峰过冲问题解析

BUCK电源SW电压尖峰过冲问题

产生原因：

(示波器正常测试时须关闭20M带宽限制)

① 器件本身的寄生电感以及寄生电容造成的，主要是电感电容器件的谐振频率。

② 功率电感自身的参数，如果过冲振荡频率和电感自谐频率相同，基本可以确定为电感自身引起，但过冲振荡频率一般是百兆量级，所以电感自身引起的可能性会很小。

③ MOS开关管的栅极G、源极S、漏极D上面有寄生电感存在，我们所用的DCDC框架图中，以下图SGM61720为例，开关管状态等效为下图所示。在开关导通之后，SW从0V电压开始上升，那么C2在被充电，电源需要通过L1提供功率电感L3的续流以及对C2的充电，由于L1的电流>功率电感电流，所以SW达到Vin电压之后，SW电压继续上升，会大于Vin，此时电感L1两端的电压反向，电流开始减小。随着SW电压上升，那么C2继续被充电。直到L1的电流=功率电感L3的电流+C2的充电电流。那么意味着C2的充电电流为0，就不能通过L1接着对C2进行充电了。此时SW的电压大于Vin，电感L1的电流要继续减小。而功率电感L3的电流不变，所以功率电感必须从C2抽取电流，这意味着C2开始放电。C2开始放电后，SW电压开始降低，然后SW的电压降低到Vin，此时L1的电流达到最小。再之后C2继续放电(因为L1电流小，不足以提供功率电感的续流)，SW电压继续降低，L1两端电压反向，L1的电流开始增大，直到L1电流大小达到功率电感的电流。此时C2停止放电，SW电压达到最低，然后C2开始被充电，SW电压开始升高，如此循环往复，SW处电压看起来就是振荡了。当然整个过程中因为有电阻分量，所以振荡幅值是越来越小的，本质就是LCR阻尼振荡。下图仿真图形比较直观(更好的了解在那里产生)。

因此结论为：

(1)上管L1到输入滤波电容之间的电感量对上升沿尖峰的大小起了决定性的作用。

(2)下管L2到输入滤波电容之间的电感量对下降沿沿尖峰的大小起了决定性的作用。

(3)负载电流越大，参与振荡的能量越多，那么产生的尖峰也是越高的。

解决方法：

1、降低转换器的开关切换速度：在自举电路增加串联电路，如下图红色所示。

2、抑制振铃现象：增加RC snubber电路，如下图蓝色所示：

参数选择：

(1) ,其中，ξ是抑制因子。通常， ξ 的取值在 0.5(轻微抑制)到 1(重度抑制)之间。寄生参数 Lp 和 Cp 的值: ，其中信号上升沿测量原始振铃信号的频率 fRING;原始电容 Cp 的值便是新增电容量的 1/3。

(2)RC 缓冲电路中的串联电容 Cs 需要足够大，以便让抑制电阻能在电路谐振期间表现出稳定的谐振抑制效果。所以，Cs的取值通常以电路寄生电容的值的3~4 倍为宜。

3、抑制振铃现象：增加RL抑制电路，如下图27绿色所示：添加此电路的目的是要在谐振电路中引入少量的串联阻抗，但却足够提供部分抑制作用。抑制电阻 Rs 可以用得很小，大概是1Ω或是更小的量级。电感 Ls 的选择依据是比谐振频率低的频段，提供很低的阻抗，需要使用的电感也就可以很小，大概就是几个nH的量级，甚至可用几个mm长的PCB铜箔路径代替。

审核编辑：汤梓红