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上一期我們分析了DC-DC開關(guān)電源的靜態(tài)紋波產(chǎn)生的原因、動態(tài)響應(yīng)時產(chǎn)生的過沖和下沖，并提供一些改善方法：技術(shù)分享 | DCDC開關(guān)電源實戰(zhàn)經(jīng)驗之靜態(tài)紋波及動態(tài)響應(yīng)調(diào)試方法

這一期為大家分享的是：DC-DC開關(guān)電源的開關(guān)波形產(chǎn)生高頻振蕩的原因，以及優(yōu)化方案。

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- DC-DC開關(guān)波形-

開關(guān)波形，顧名思義就是開關(guān)節(jié)點的波形，是上下管交替導(dǎo)通產(chǎn)生的周期性脈沖波，也是考量電源設(shè)計可靠性的重要指標(biāo)：

為何要測量開關(guān)波形？從開關(guān)波形我們能得到什么信息呢？下面為大家介紹一下測量開關(guān)波形的目的：

01

判斷上下管是否有直通的風(fēng)險

MOS驅(qū)動信號和SW波形如下圖所示：

為了避免上管和下管同時導(dǎo)通，MOS驅(qū)動在上下管切換時加上死區(qū)時間（dead time），此時上管和下管同時關(guān)斷，電流從下管的體二極管（body diode）流過，因此可以看到SW有一個小的負(fù)電壓（體二極管導(dǎo)通壓降）。

通常情況下，由于存在死區(qū)時間，不會有同時導(dǎo)通的風(fēng)險，但是有的MOS開關(guān)速度較慢，在沒有完全關(guān)斷時，另外一個MOS就開始導(dǎo)通，從而導(dǎo)致出現(xiàn)直通，這種情況需要更換MOS搭配。

另外，理想狀態(tài)下，開關(guān)波形是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波，但是由于PCB走線和元器件存在各種寄生參數(shù)，實際的開關(guān)波形一般會存在一些振蕩，如下圖所示：

在上管導(dǎo)通時可能會導(dǎo)致下管驅(qū)動信號出現(xiàn)一個小尖刺，如果電壓足夠高，并且持續(xù)時間較長，就會導(dǎo)致下管導(dǎo)通，出現(xiàn)直通。

02

判斷是否超過器件耐壓

電源芯片或者M(jìn)OS都有自身的耐壓，超過耐壓可能會導(dǎo)致器件失效，因此需要通過量測開關(guān)波形來確認(rèn)是否有超過耐壓的風(fēng)險。

03

判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性

通過量測開關(guān)波形的抖動，可以確認(rèn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抖動越小則越穩(wěn)定（此方法需要在穩(wěn)態(tài)負(fù)載下測試）。

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- 開關(guān)波形高頻振蕩-

通過一些實測波形我們可以看到，在上管導(dǎo)通或者關(guān)斷時，開關(guān)波形都會產(chǎn)生較明顯的振蕩，那么這些振蕩產(chǎn)生的原因是什么呢？又會造成什么影響？下面將為大家詳細(xì)介紹一下。

在這之前，我們先回顧一下開關(guān)電源的工作原理，如下圖所示：

可以看到MOS在導(dǎo)通和關(guān)斷時，MOS的電流在非常短的時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化（從0到電感電流），這就導(dǎo)致了很大的電流變化率di/dt。

并且，由于下管存在體二極管，在上管導(dǎo)通時會存在反向恢復(fù)電流，這就導(dǎo)致了上管的電流在導(dǎo)通瞬間出現(xiàn)一個非常大的電流尖峰，這就形成了更大的電流變化率di/dt。

前面有提到，由于PCB走線和元器件存在寄生電感和寄生電容，在如此劇烈的電流變化條件下，會形成明顯的LC振蕩（同時有寄生電阻，實際為RLC阻尼振蕩）。

可以看到，寄生電感主要有PCB走線引起的Llkg1和Llkg2，以及MOS內(nèi)部打線引起的Llkg3和Llkg4。這些寄生電感跟MOS本身的寄生電容形成LC諧振電路，當(dāng)路徑上的電流發(fā)生劇烈跳變時，發(fā)生振蕩，并且形成很高的電壓尖峰。

通過仿真對比，我們看到，總的寄生電感值Llkg_total影響正的電壓尖峰，增大Llkg_total，正向電壓尖峰也會變大。

而下管到GND的路徑上的寄生電感對負(fù)壓影響比較大，增大這個寄生電感，負(fù)壓也會變大。

產(chǎn)生振蕩的原因我們已經(jīng)了解了，那這個振蕩會對電源系統(tǒng)造成什么影響呢？主要有如下幾點：

振蕩形成的正向尖峰電壓和負(fù)壓，可能會超過器件耐壓，造成器件損壞；

振蕩波形干擾MOS驅(qū)動信號，可能會導(dǎo)致上下管直通的風(fēng)險

高頻振蕩造成強烈的EMI，影響其他器件工作

因此，為了系統(tǒng)能更穩(wěn)定的工作，我們需要盡量減小開關(guān)波形的高頻振蕩。

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- 如何改善高頻振蕩-

從前面的分析，我們可以看到，振蕩的主要原因是寄生電感和快速的電流變化，因此改善方案也主要從這幾個方面入手：

01

減小寄生電感

這個可以分為兩個方面：PCB走線，MOS內(nèi)部封裝。

對于PCB走線，需要盡量減小輸入電容VIN→上管→下管→GND的環(huán)路，并且下管的GND盡量多打過孔，以減小寄生電感。

而對于MOS部分，則盡量選用集成方案，比如DrMOS，converter等。single die的DrMOS和converter，由于基本沒有打線，寄生電感比multi die的更低。

晶豐明源提供的功率級方案（DrMOS，POL等）都是采用singledie的設(shè)計，因此可以獲得更好的性能。

02

降低MOS導(dǎo)通和關(guān)斷的速度

另外一個減小振蕩的方法，則是通過降低MOS的開關(guān)速度，從而減小電流變化率（涉及到MOS的開關(guān)過程，此處不作詳細(xì)描述，如有興趣可以持續(xù)關(guān)注晶豐明源公眾號）。

通常我們的原理圖上都會增加BOOT電阻和驅(qū)動電阻，通過增大這兩個電阻的阻值，可以有效降低MOS的開關(guān)速度。

其中，增大BOOT電阻只對上管導(dǎo)通的速度有影響，對關(guān)斷的速度沒有影響；增大驅(qū)動電阻RUG，則同時影響上管的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，實際對比如下：

03

增加RC吸收電路

第三種方法，則是在SW增加對地的RC電路，吸收振蕩能量。不過需要注意的是，RC接地盡量單獨接到公共的地平面，避免下管接地引起的寄生電感影響效果。

RC的參數(shù)，電阻一般選擇1~10Ω，電容在nF級，需要經(jīng)過實測確認(rèn)。

04

下管并聯(lián)肖特基二極管

除了降低MOS開關(guān)速度，還有個辦法可以減小電流尖峰：在下管并聯(lián)一顆肖特基二極管。肖特基二極管的反向恢復(fù)特性比普通二極管好（一般MOS內(nèi)部寄生的二極管是普通二極管），因此可以有效降低反向恢復(fù)電流。同理，肖特基二極管的地也盡量單獨接到功率地。

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- 總結(jié)-

降低開關(guān)波形高頻振蕩的方法總結(jié)如下：

優(yōu)化PCB布局和走線，盡可能減小輸入電容和MOS的電流環(huán)路

選用集成MOS方案，最好是single die

增加MOS驅(qū)動電阻和BOOT電阻

增加RC snubber

下管并聯(lián)肖特基二極管

其中增加驅(qū)動電阻和snubber會造成效率下降，需要取舍；下管并聯(lián)肖特基二極管還可以提高效率，但是會增加成本和PCB空間，因此最好是layout優(yōu)化和采用single die集成方案。

晶豐明源DCDC，超過100位行業(yè)頂尖精英的強大團隊，構(gòu)建研發(fā)、運營、銷售的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，擁有數(shù)字控制IP、大電流設(shè)計IP、BCD工藝、封裝等核心技術(shù)。高標(biāo)準(zhǔn)可靠性實驗室，具備高溫老化、高加速應(yīng)力、溫度循環(huán)等多種可靠性鑒定和可靠性監(jiān)控能力，每一款量產(chǎn)產(chǎn)品，都經(jīng)過嚴(yán)苛的測試，確保產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠。我們志在追趕國際巨頭的技術(shù)優(yōu)勢，躋身計算電源的重磅玩家?！　?/p>