如何設計緩沖電路去除DC-DC的開關節點的點次干擾噪聲

來源：EMC容冠電磁更新時間：2024-07-21 閱讀：

降壓轉換器IC的開關節點容易產生很多高次諧波噪聲，緩沖電路作為除去這些高次諧波噪聲的手段之一，本節簡述如何使用RC緩沖電路去除開關節點諧波噪聲。

01 RC緩沖電路

如圖1是一個典型的降壓DC-DC的結構簡圖：

圖1 降壓開關轉換器電路

圖2 考慮寄生參數的電路

但實際上如圖2所示會存在很多寄生電感LP和寄生電容CP，高邊開關在導通和關斷時，由于寄生電感蓄積的能量，在輸入環路里會產生共振。因為寄生參數的值由于非常小，所以共振頻率可以達到數百MHz以上，如圖3的開關振鈴，會導致EMI特性劣化。

圖3 SW開關節點振鈴波形

RC緩沖電路是用來去除高次諧波噪聲的一種有效方法，如圖4所示在開關節點只需追加RC網絡就可以實現降低高次諧波噪聲。

圖4 RC緩沖電路

圖5展示了緩沖電路的動作過程：當高邊開關導通時，寄生電感蓄積的能量通過緩沖電容CSNB ，作為靜電能量存儲在電容里。開關節點電位會上升到輸入電壓VIN，當充電到VIN時，電容儲存了 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。這時候緩沖電阻RSNB里會產生與充電能量相同的 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 阻抗損耗。當低邊開關導通時，開關節點會降低到GND電位，所以緩沖電容CSNB蓄積的能量會通過緩沖電阻(阻尼電阻)放電。這時候緩沖電阻RSNB會消耗 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。

作為這個公式的補充說明，充電后電容電荷Q由CSNB×VIN求得，電源供電功率為 VIN×Q=CSNB×VIN×VIN 。電容蓄積能量和釋放能量在充放電周期CR 常數設定足夠長的話，只由電容容量和電壓決定。充電時電源有一半能量由于電阻變成了焦耳熱，剩下的一半作為靜電容量儲存在電容里。放電時蓄積的一半靜電能量由于電阻變成了熱能。即使電阻值變化，只會充放電所需時間發生變化，但是這個比例是一定的。

開關一個周期合計會由電阻產生 CSNB×VIN×VIN 損耗，僅開啟關斷的次數就會產生損耗，所以產生損耗由 CSNB×VIN×VIN×fsw 求得。即使無負載，但是只要有開關動作，緩沖電路就會產生損耗，所以這就成了效率降低的要因。

圖5 緩沖電路的動作過程

02 計算RC的值

介紹了消除振鈴的緩沖電路RC值由下面兩個公式求得：

LP和CP2是寄生參數，有手冊不公開該信息，或值太小難以進行參數計算。下述實例按照一邊在實機上測量實際的開關波形，一邊計算相關參數的方法進行說明。

03 RC值計算步驟

1.使用示波器測得振鈴頻率fr。

2.在開關節點和GND之間接入電容CP0，求得振鈴頻率變為1/2時的電容值。

3.電容容值CP0的1/3即是寄生容量CP2。

4.由寄生容量CP2求得寄生電感LP。

5.求得共振的特性阻抗。

6.緩沖電阻RSNB設為和特性阻抗Z同等程度的值:RSNB≥Z

7.緩沖容量CSNB設為寄生容量CP2的1～4倍。

8.求得緩沖電阻RSNB的消耗功率。

04 RC值計算實例

這里一邊進行實際測量一邊按照RC值計算步驟進行說明。

1. 因為需要使用示波器來測量振鈴頻率，所以在測試點的開關節點處一定要會使用探頭。為了降低探頭附加在開關節點處的寄生容量，將探針前端的掛鉤尖端除去，使探頭直接接觸開關節點，因為接地引線會附加電感成分所以去掉。取而代之的是安裝接地引線適配器，使接地長度最小化，放大振鈴波形，圖6測得頻率為217.4MHz。

圖6 測定振鈴頻率

圖7 追加CP0

2. 如圖20-7所示，在開關節點和GND間接入電容CP0，求得振鈴頻率變為1/2時的電容值。該例將217.4MHz的一半108.7MHz作為目標，實驗結果顯示當追加680pF電容時，如圖8所示，振鈴頻率約為108.7MHz)。

圖8將 CPO設為 680pF 時的振鈴頻率

3. 振鈴共振頻率由

決定，因此容量值變為4倍的話，頻率降為一半。也就是可以推測寄生容量CP2為附加電容CP0的1/3。CP0為680pF時，寄生容量CP2就如下式所示求得：

4. 寄生容量CP2計算得出后，共振頻率公式：

變形可以求得寄生電感LP。振鈴頻率fr為217.4MHZ，寄生容量CP2為227pF，那么

5. 求共振特性阻抗。為了簡化計算，不考慮傳輸線路損耗，由理想的實際數值計算：

6.為了衰減振鈴，有必要將緩沖電阻RSNB設為和共振特性阻抗Z同等大小：RSBB≥Z，這里實例選取3.3Ω。

7. 緩沖容量CSNB設定為寄生容量CP2的1～4 倍。計算結果為227pF、454pF、681pF、908pF，實物容值為220pF、470pF、680pF、1000pF。依次改變這些容量，觀測振鈴波形。結果如圖9至圖13所示，可以判斷出當容值為680pF時，可以獲得無振鈴的良好波形。當振鈴不消失時，將容量值進一步增加到10倍程度觀測波形。但是容量值越大功率損耗就越增加，效率就低下。