1、1利用 Snubber 电路消除开关电源和 Class D 功放电路中的振铃导读：就爱阅读网友为您分享以下“利用 Snubber 电路消除开关电源和 Class D 功放电路中的振铃”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对 的支持!关键词 : 开关电源 , Class D 功放,振铃应用笔记 6287利用 Snubber 电路消除开关电源和 Class D 功放电路 中的振铃Frank Pan, CPG 部门高级应用工程师摘要:开关电源和 Class D 功放,因为电路工作在开关状态,大大降低了电路的 功率损耗, 在当今的电子产品中得到了广泛的应用。 由于寄生电感和寄生电容的 存在,电路的 PWM
2、 开关波形在跳变时,常常伴随着振铃现象。这些振铃常常会 带来令人烦恼的 EMC 问题。 本文对振铃进行探2讨, 并采用 snubber 电路对 PWM 开关信号上的振铃进行抑制。振铃现象在开关电源和 Class D 功放电路中, 振铃大多是由电路的寄生电感和寄生电容引 起的。寄生电感和寄生电容构成 LC 谐振电路。 LC 谐振电路常常用两个参数来描述其谐振特性:振荡频率(), 品质因数(Q 值)。谐振频率由电感量和电 容量决定:。 品质因数可以定义为谐振电路在一个周期内储存能量与消耗能量之比。并联谐振电路的 Q 值为:,其中 RP 是并联谐振电路的等效并联电阻。 串联谐振电路的 Q 值为:,
3、其中 RS 为串联谐振电 路的等效串联电阻。在描述 LC 电路的阶跃跳变时,常用阻尼系数() 来描述电路特性。阻尼系数 跟品质因数的关系是:或 。在临界阻尼(=1)时 ,阶跃信号能在最短时间内跳变到终值,而不伴随振铃。在欠阻尼(1)时,阶跃信号在跳变时会伴随振铃。在过阻尼(1)时,阶跃信号跳变时不伴随振铃,但稳定到终值需要花费比较长的时间。在图一中,蓝,红,绿三条曲线3分别为欠阻尼( 1),临界阻尼(=1),过阻尼 (1)时,对应的阶跃波形。图一不同阻尼系数对应的阶跃信号(从左至右分别为欠阻尼,临界阻尼,过阻尼时对应的阶跃信号)我们容易得到并联 LC 谐振电路的阻尼系数:。 在我们 不改变电路
4、的寄生电感和寄生电容值时, 调整等效并联电阻可以改变谐振电路的 阻尼系数,从而控制电路的振铃。阶跃信号因振铃引起的过冲跟阻尼系数有对应的关系:。 OS (%)定义为过冲量的幅度跟信号幅度的比值, 以百分比表示。 表一列出了不同阻尼系 数对应的过冲 OS (%)。图二过冲图示表一:不同阻尼系数对应的过冲 OS (%)阻尼系数 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 过冲量 85.4% 72.9% 62.1% 52.7% 44.4% 37.25% 30.93% 25.4% 20.6% 阻尼系数 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8
5、0.85 0.9 过冲量 16.3% 12.6% 9.5% 6.8% 4.6% 2.8% 1.5% 0.6% 0.15%振铃的危害对于振铃, 我们直观感受到的是示波器屏幕上的电压的波动。 实际带来问题的通 常是电路的电流的谐振。在图三所示的电路里面,当 PWM 开关信号 V1 在 0V 和 12V 切4换时,流过电感 L1 和电容 C1 的谐振电流可以达到安培量级,如图四 所示。在高频(图三所示电路的谐振频率为 232MHz ,开关电源和 Class D 电路 里常见的振铃频率在几十兆到几百兆 Hz 之间),安培量级的电流,通过很小的 回路,都可能造成辐射超标,使产品无法通过 EMC 认证。注
6、:10 米处电场强度计算公式为:,单位为伏特 /米。其 中 f 为电流的频率 (MHz ) , A 为电流的环路面积 (CM 2) , I s 为电流幅度 (mA ) 。图三LC 谐振电路图四电容 C1 两端的电压和流过电容 C1 的谐振电流避免测量引入的振铃为了提高电路的效率,开关电源和 Class D 功放的 PWM 开关信号的上升 /下降 时间都比较短 ,常常在 10ns 量级。测量这样的快速切换信号,需要考虑到示波 器探头, 特别是探头的接地线对测量结果的影响。 在图五的测量方法中, 示波器 探头的地线过长, 跟探头尖端的探针构成很大的回路。 捕获到的信号出现了很大 的振铃,如图六所示
7、。图五示波器探头上长的地线会影响 PWM 开关信号的测量结果5图六图五测量方法对应的测试结果为了降低示波器探头对测量结果的影响, 我们在电路板上焊接测量接地探针, 并 去除示波器探头上的地线, 如图七所示。 通过这种方法, 我们可以大大降低示波 器探头地线对测量引入的振铃。 图八是使用这种方法捕获到的 PWM 开关信号的 前后沿波形。图七通过在 PCB 上焊接接地点改善测量结果图八图七测量试方法对应的测试结果开关电源和 Class D 功放电路中的谐振电路在开关电源和 Class D 功放电路中,芯片退耦电容到芯片电源引脚之间的 PCB 走线, 芯片电源引脚到内部硅片之间的邦定线可以等效成一个
8、寄生电感。 在功率 MOSFET 截止时,功率 MOSFET 电极之间的电容 (Cgs, Cgd , Cds) 可等效 成一个寄生电容。如图九所示。这些寄生电感和寄生电容构成了 LC 谐振电路。 图九中的高端 MOSFET 导通,低端 MOSFET 截止时,可以等效成图十所示的LC 谐振电路。 为了提高电路的效率 , 当今芯片内部集成的功率 MOSFET 的 都做得比较小, 常常在几十毫欧到几百毫欧之间。 这意味着谐振电路的阻尼系数 可能很小。造成的结果是在 PWM 开关切换时,伴随着比较大的振铃。6图九开关电源和 D 类功放电路里的寄生电感和电容图十图九中高端 MOSFET 导通,低端 MO
9、SFET 截止时的等效电路 利用 Snubber 抑制振铃上面对 LC 谐振电路的振铃做了介绍。 下面介绍利用 snubber 电路对振铃进行抑 制。 如图十一中虚线框内的电路所示, Snubber 电路由一个小阻值的电阻和一个电容 串联构成。 其中电阻 用来调节 LC 谐振电路的阻尼系数。 电容 在振铃频率(即 LC 谐振频率)处呈现很低的容抗,近似于短路。在 PWM 开关频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容 的存在, PWM 信号 会一直加在电阻 两端,电阻 会消耗过多的能量。下面给 选取合适的电阻值,让 PWM 开关信号能快速稳定到终值,而又不产生振铃 (临界阻尼) 。 我们以图十一的电
10、路为例。 其中 L1 是电路的寄生电感 , C1 是电路的寄生电容,是电路的等效并联电阻。图十一snubber 电路整理得到:用 snubber 改善振铃实例7下面以一个实例介绍 snubber 电路元件值的选取。 图十二 a 是一款降压 DC-DC 在 PWM 开关引脚处测到的波形。在 PWM 信号开关时,伴随着振铃现象。通过 示波器测量到的振铃频率为 215.5MHz 。我们可以构建第一个方程:为了得到 L1 和 C1 的值,我们需要构建另外一个方程。我们给电容 C1 并联一 个小电容:在 PWM 引脚临时对地焊接一个 56pF 的电容。这时,振铃频率变为 146.2MHz ,如图十二 b
11、 。据此,我们构建另一个方程:通过上面两个方程,可以很快计算出 C1=47.7pF, L1=11.4nH。然后,我们根据过冲量来计算等效并联电阻 。从图十三读出过冲 OS(%)为 28%,对应的阻尼系数 () 值为 0.37。 ,得到十三阶跃信号过冲我们得到了电路的 L1, C1 和 的值,带入我们前面得到的公式,计算得到 。可以选取 18 欧姆的电阻。 电容 的选择:元件值的选取原则是,在 LC 谐振频率(振铃频率) 处, 容抗要远小于 的阻值。 对 PWM 开关信号, 又要呈现出足够高8的容抗。 图十四是 采用 560pF 的电容, 采用 18 欧姆电阻时, PWM 开关信 号的前沿波形。
12、对比图十二 a 中的波形,振铃得到了很大的改善。图十四加入 snubber 电路后的 PWM 前沿波形Snubber 电路的能量消耗Snubber 电路中能量消耗在电阻 上,而能量消耗的多少又取决于电容 的容量,跟电阻 的值无关。这是因为:PWM 信号给电容 充 电时,电路给 snubber 电路提供的能量为 ,而电容只得到了其中的一半 (),另一半被 消耗掉。改变 的电阻值,只是改变了电容 充电的速度和 消耗能量的速度, 而不改变充电一次 所消耗的总能量。 放电时,电容储存的能量被 消耗。 在一个 PWM 开关周期的能量消耗为 。 功率消耗为:, 其中 为 PWM 开关频率, V 为 snu
13、bber 两端的电压幅度峰峰值。有些应用场合对电路的效率有很高的要求,对 snubber 电路消耗的功率也需要 进行限制。 遇到这种情况, 可以适当调整 snubber 电路的元件值, 在 PWM 信号 的振铃和功率消耗之间取得平衡。降低 snubber 功耗的另外一个有效办法是降低电路的寄生电感:把退耦电容尽 量靠近芯片放置,加粗退耦电容到芯片之间 PCB 走线的宽度。从前面提到的公9式()可以看出,降低了寄生电感 L1,在其他电路参数 不改变的情况下,要保持同样的阻尼系数,需要更小的电阻值。同时,寄生电感降低后,电路的振铃频率会提高。这都允许我们选用更小容值的 电容,从 而可以降低 snu
14、bber 电路引入的功率损耗。总结我们讨论了开关电源和 Class D 功放电路里 PWM 信号的振铃现象, 振铃带来的 危害,振铃引起的过冲和电路的阻尼系数的对应关系。然后介绍了如何用 snubber 对振铃进行抑制。 最后通过一个实例介绍了 snubber 电路里元件值的选 取。 在介绍过程中, 引入了一些简单的数学公式。 这些数学公式有助于加深我们 对概念的理解。参考文献“Radio -Frequency Electronics Circuits and Applications” by Jon B. Hagen“EMC for Product Designers” Forth Edition by Tim Williams“ 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 (第 3 版 ) ” Sergio Franco 著,刘树棠朱茂林荣玫译百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆
