发现 SW 大小波，应该联想到什么？应排查什么？

大家在测试电源电路时，有时会碰到输出电压异常、输出纹波过大等情况，此时通常会排查 SW 信号来判断电路工作是否正常，异常状况下 SW 波形会呈现大小波现象。

今天我们就来一起看下，SW 出现大小波的常见原因有哪些？应该排查什么？

01      

SW 大小波现象简介

SW 代表 BUCK 电路中的开关节点。在标准工作条件下，SW 点的波形表现为固定频率的方波。

图1：正常工况下的SW波形

然而，在某些异常情况下，SW 波形会呈现大小波状态。通常伴随着输出电压不稳定、效率降低、芯片异常发热，以及噪声纹波增大等问题。

因此，在开关电源设计中，通常需要采取措施来控制 SW 节点上的电压波动，以确保电源的稳定性和可靠性。

图2：SW大小波

02      

SW 大小波现象的原因分析

电路中 SW 出现大小波可能有以下几种原因：

负载变化

输入电压不稳定

环路控制和补偿设计不当

PCB 布局布线不合理

本文将从原理图设计和 PCB 设计两个方面，分析 SW 出现大小波的原因，并介绍对应的解决办法。

在原理图设计方面，我们从控制模式展开分析。

在 PCB 设计方面，从对 SW 影响最大的输出电压采样走线和 FB 走线展开分析。

 

03      

原理图设计

在控制模式方面，目前常用的有峰值电流模式控制和 COT 控制。

峰值电流模式下的 SW 异常状态我们通过 MPQ4572 举例分析：

01   峰值电流控制模式

图3：MPQ4572 参考设计

MPQ4572 是一款支持 4.5V 到 60V 的宽输入电压范围，持续输出电流 2A，采用峰值电流控制模式的降压芯片。

测试该芯片，设置开关频率为 400Khz，当 Vin=18V，Vout=12V，带载 1A 时，SW 出现了大小波，为周期性不规则波形，变化周期为 200khz，刚好是开关频率的一半，这种现象可能是由次谐波振荡引起的。

图4：SW 大小波

测试当前的环路波形，根据 bode 图可以看到在 200khz 时，增益曲线出现尖峰，相位曲线翻转，可以判断是发生了次谐波振荡。当输入电压升高到 25V 以上时，SW 波形恢复正常。

图5：环路测试

计算两种输入下的占空比分别为 ：

Vin=18V,Vout=12V:D=66.7%>50%,

Vin=25V,Vout=12V:D=48%<50%,

已知在峰值电流模式下，当占空比大于 50% 时，系统可能会变得不稳定，出现次谐波振荡，SW 呈现大小波。

为了抑制这种振荡，通常会在控制回路中注入斜坡补偿信号。但 MPQ4572 芯片的内部已经设计有斜坡补偿机制，为什么还是会出现次谐波振荡的问题呢？

图6：斜坡补偿

在注入斜坡信号后，扰动量的公式为：

为了保证电路工作稳定，要让扰动量收敛。注入的斜坡斜率 m3 要大于 0.5 倍 m2 才能使该式收敛。如果 m3 小于 0.5 倍 m2，即使注入了斜坡信号，也无法解决次谐波振荡问题。

芯片内部注入的斜坡信号斜率通常是未知的固定值，也就是说 m3 是固定的，那么我们可以通过增加电感感量减小 m2 来保证 m3＞0.5 倍 m2 成立。当电感感量由 15uh 修改为 33uh 后，SW 波形恢复正常。

图7：正常 SW 波形

测试此时的 bode 图，200khz 时的增益曲线尖峰消失，环路稳定。

图8：33uh 环路测试

02   COT 控制模式

COT 是通过比较 Vref 与 FB 管脚的电压来实现恒压控制，理想的 FB 电压与电感电流同相位。

FB 采样的输出电压纹波信号由电容纹波与 ESR 的纹波组成，电容纹波相较电感电流纹波有 90 度的延迟，当输出纹波主要由输出电容决定时，电路相位滞后，FB 信号非线性，会导致次谐波振荡，SW 出现大小波。

在这种模式下，我们有三种方法可以用来抑制次谐波：

  1

使用 ESR 足够大的电容

ESR 越大，总的电路相位延迟越小，纹波接近线性，可以有效抑制次谐波振荡。

图9：ESR 纹波占主导

2

注入斜坡补偿

当为了效率及输出纹波幅度考虑，需要选择 ESR 比较小的电容时，我们可以选择注入斜坡补偿。通过外部的 RC 补偿给 FB 管脚注入斜坡信号，由 Rslope 引入电感纹波，Cslope 提高相位，整体相位提升，可以抑制次谐波。

图10：斜坡补偿

具体参数如何计算可参考：MPS官网-设计-应用说明-通用-Designing a Stable COT Converter for a Desired Load and Line Regulation 的设计案例 。

3

设置 Ramp

Ramp 的相位与电感纹波电流相位一致，部分芯片的 Ramp 可以通过 PMBUS 配置，Ramp 越大，系统越稳定，Ramp 越小，动态响应越快，实际应用中需要平衡稳态性能和动态性能。

图11：设置 Ramp

 

04      

PCB 设计

在 PCB 设计上，规避 SW 振荡的要点包括：

1. 输出电压采样走线应尽量短、直，避免干扰。

2. FB 管脚比较敏感，应远离噪声源，如 SW 点、电感等。

3. FB 分压电阻要靠近管脚放置并确保 FB 走线短直。

05      

总结

峰值电流模式控制下，确保斜坡注入信号的有效性至关重要。

在 COT 控制模式下，当输出纹波由 ESR 主导时，电路稳定；由电容纹波主导时，可能出现次谐波振荡。此时，我们可以通过选用 ESR 较大的电容、增加外部 RC 补偿或内部配置 RAMP 来解决问题。

最后，良好的 PCB 设计也是确保电源稳定性的关键。