利用Snubber電路消除開關(guān)電源和Class D功放電路中的振鈴

利用Snubber電路消除開關(guān)電源和Class D功放電路中的振鈴

Frank Pan, CPG部門高級應(yīng)用工程師

摘要：開關(guān)電源和Class D功放，因?yàn)殡娐饭ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，大大降低了電路的功率損耗，在當(dāng)今的電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。由于寄生電感和寄生電容的存在，電路的PWM開關(guān)波形在跳變時，常常伴隨著振鈴現(xiàn)象。這些振鈴常常會帶來令人煩惱的EMC問題。本文對振鈴進(jìn)行探討，并采用snubber電路對PWM開關(guān)信號上的振鈴進(jìn)行抑制。

振鈴現(xiàn)象

在開關(guān)電源和Class D功放電路中，振鈴大多是由電路的寄生電感和寄生電容引起的。寄生電感和寄生電容構(gòu)成LC諧振電路。 LC諧振電路常常用兩個參數(shù)來描述其諧振特性：振蕩頻率（），品質(zhì)因數(shù)（Q值）。諧振頻率由電感量和電容量決定：。品質(zhì)因數(shù)可以定義為諧振電路在一個周期內(nèi)儲存能量與消耗能量之比。并聯(lián)諧振電路的Q值為：，其中RP是并聯(lián)諧振電路的等效并聯(lián)電阻。串聯(lián)諧振電路的Q值為：，其中RS為串聯(lián)諧振電路的等效串聯(lián)電阻。

在描述LC電路的階躍跳變時，常用阻尼系數(shù)（) 來描述電路特性。阻尼系數(shù)跟品質(zhì)因數(shù)的關(guān)系是：或。在臨界阻尼（=1）時，階躍信號能在最短時間內(nèi)跳變到終值，而不伴隨振鈴。在欠阻尼（<1）時，階躍信號在跳變時會伴隨振鈴。在過阻尼（>1）時，階躍信號跳變時不伴隨振鈴，但穩(wěn)定到終值需要花費(fèi)比較長的時間。在圖一中，藍(lán)，紅，綠三條曲線分別為欠阻尼（<1），臨界阻尼（=1），過阻尼（>1）時，對應(yīng)的階躍波形。

圖一 不同阻尼系數(shù)對應(yīng)的階躍信號（從左至右分別為欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼時對應(yīng)的階躍信號）

我們?nèi)菀椎玫讲⒙?lián)LC諧振電路的阻尼系數(shù)：。在我們不改變電路的寄生電感和寄生電容值時，調(diào)整等效并聯(lián)電阻可以改變諧振電路的阻尼系數(shù)，從而控制電路的振鈴。

階躍信號因振鈴引起的過沖跟阻尼系數(shù)有對應(yīng)的關(guān)系：。OS(%)定義為過沖量的幅度跟信號幅度的比值，以百分比表示。表一列出了不同阻尼系數(shù)對應(yīng)的過沖OS(%)。

圖二 過沖圖示

表一： 不同阻尼系數(shù)對應(yīng)的過沖OS(%)

阻尼系數(shù)	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45
過沖量	85.4%	72.9%	62.1%	52.7%	44.4%	37.25%	30.93%	25.4%	20.6%

阻尼系數(shù)	0.5	0.55	0.6	0.65	0.7	0.75	0.8	0.85	0.9
過沖量	16.3%	12.6%	9.5%	6.8%	4.6%	2.8%	1.5%	0.6%	0.15%

振鈴的危害

對于振鈴，我們直觀感受到的是示波器屏幕上的電壓的波動。實(shí)際帶來問題的通常是電路的電流的諧振。在圖三所示的電路里面，當(dāng)PWM開關(guān)信號V1在0V和12V切換時，流過電感L1和電容C1的諧振電流可以達(dá)到安培量級，如圖四所示。在高頻（圖三所示電路的諧振頻率為232MHz，開關(guān)電源和Class D電路里常見的振鈴頻率在幾十兆到幾百兆Hz之間），安培量級的電流，通過很小的回路，都可能造成輻射超標(biāo)，使產(chǎn)品無法通過EMC認(rèn)證。

注：10米處電場強(qiáng)度計(jì)算公式為：，單位為伏特/米。其中f為電流的頻率（MHz），A為電流的環(huán)路面積（CM2 ），Is為電流幅度（mA）。

圖四 電容C1兩端的電壓和流過電容C1的諧振電流

避免測量引入的振鈴

為了提高電路的效率，開關(guān)電源和Class D功放的PWM開關(guān)信號的上升/下降時間都比較短，常常在10ns量級。測量這樣的快速切換信號，需要考慮到示波器探頭，特別是探頭的接地線對測量結(jié)果的影響。在圖五的測量方法中，示波器探頭的地線過長，跟探頭尖端的探針構(gòu)成很大的回路。捕獲到的信號出現(xiàn)了很大的振鈴，如圖六所示。

圖五 示波器探頭上長的地線會影響PWM開關(guān)信號的測量結(jié)果

圖六 圖五測量方法對應(yīng)的測試結(jié)果

為了降低示波器探頭對測量結(jié)果的影響，我們在電路板上焊接測量接地探針，并去除示波器探頭上的地線，如圖七所示。通過這種方法，我們可以大大降低示波器探頭地線對測量引入的振鈴。圖八是使用這種方法捕獲到的PWM開關(guān)信號的前后沿波形。

圖七 通過在PCB上焊接接地點(diǎn)改善測量結(jié)果

圖八 圖七測量試方法對應(yīng)的測試結(jié)果

開關(guān)電源和Class D功放電路中的諧振電路

在開關(guān)電源和Class D功放電路中，芯片退耦電容到芯片電源引腳之間的PCB走線，芯片電源引腳到內(nèi)部硅片之間的邦定線可以等效成一個寄生電感。在功率MOSFET截止時，功率MOSFET電極之間的電容 (Cgs，Cgd，Cds) 可等效成一個寄生電容。如圖九所示。這些寄生電感和寄生電容構(gòu)成了LC諧振電路。圖九中的高端MOSFET導(dǎo)通，低端MOSFET截止時，可以等效成圖十所示的LC諧振電路。為了提高電路的效率，當(dāng)今芯片內(nèi)部集成的功率MOSFET的都做得比較小，常常在幾十毫歐到幾百毫歐之間。這意味著諧振電路的阻尼系數(shù)可能很小。造成的結(jié)果是在PWM開關(guān)切換時，伴隨著比較大的振鈴。

圖九 開關(guān)電源和D類功放電路里的寄生電感和電容

圖十 圖九中高端MOSFET導(dǎo)通，低端MOSFET截止時的等效電路

利用Snubber抑制振鈴

上面對LC諧振電路的振鈴做了介紹。下面介紹利用snubber電路對振鈴進(jìn)行抑制。如圖十一中虛線框內(nèi)的電路所示，Snubber電路由一個小阻值的電阻和一個電容串聯(lián)構(gòu)成。其中電阻用來調(diào)節(jié)LC諧振電路的阻尼系數(shù)。電容在振鈴頻率（即LC諧振頻率）處呈現(xiàn)很低的容抗，近似于短路。在PWM開關(guān)頻率又呈現(xiàn)出較高的容抗。如果沒有電容的存在，PWM信號會一直加在電阻兩端，電阻會消耗過多的能量。

下面給選取合適的電阻值，讓PWM開關(guān)信號能快速穩(wěn)定到終值，而又不產(chǎn)生振鈴（臨界阻尼）。我們以圖十一的電路為例。其中L1是電路的寄生電感，C1是電路的寄生電容， 是電路的等效并聯(lián)電阻。

圖十一 snubber電路

整理得到：

用snubber改善振鈴實(shí)例

下面以一個實(shí)例介紹snubber電路元件值的選取。圖十二a 是一款降壓DC-DC在PWM開關(guān)引腳處測到的波形。在PWM信號開關(guān)時，伴隨著振鈴現(xiàn)象。通過示波器測量到的振鈴頻率為215.5MHz。我們可以構(gòu)建第一個方程：

為了得到L1和C1的值，我們需要構(gòu)建另外一個方程。我們給電容C1并聯(lián)一個小電容：在PWM引腳臨時對地焊接一個56pF的電容。這時，振鈴頻率變?yōu)?46.2MHz，如圖十二b。據(jù)此，我們構(gòu)建另一個方程：

通過上面兩個方程，可以很快計(jì)算出C1=47.7pF，L1=11.4nH。

然后，我們根據(jù)過沖量來計(jì)算等效并聯(lián)電阻。從圖十三讀出過沖OS（%）為28%，對應(yīng)的阻尼系數(shù)()值為0.37。，得到

圖十三 階躍信號過沖

我們得到了電路的L1，C1和的值，帶入我們前面得到的公式，計(jì)算得到?？梢赃x取18歐姆的電阻。

電容的選擇：元件值的選取原則是，在LC諧振頻率（振鈴頻率）處，容抗要遠(yuǎn)小于的阻值。對PWM開關(guān)信號，又要呈現(xiàn)出足夠高的容抗。圖十四是采用560pF的電容，采用18歐姆電阻時，PWM開關(guān)信號的前沿波形。對比圖十二a中的波形，振鈴得到了很大的改善。

圖十四 加入snubber電路后的PWM前沿波形

Snubber電路的能量消耗

Snubber電路中能量消耗在電阻上，而能量消耗的多少又取決于電容的容量，跟電阻的值無關(guān)。這是因?yàn)椋篜WM信號給電容充電時，電路給snubber電路提供的能量為，而電容只得到了其中的一半（），另一半被消耗掉。改變的電阻值，只是改變了電容充電的速度和消耗能量的速度，而不改變充電一次所消耗的總能量。放電時，電容儲存的能量被消耗。在一個PWM開關(guān)周期的能量消耗為。功率消耗為：，其中為PWM開關(guān)頻率，V為snubber兩端的電壓幅度峰峰值。

有些應(yīng)用場合對電路的效率有很高的要求，對snubber電路消耗的功率也需要進(jìn)行限制。遇到這種情況，可以適當(dāng)調(diào)整snubber電路的元件值，在PWM信號的振鈴和功率消耗之間取得平衡。

降低snubber功耗的另外一個有效辦法是降低電路的寄生電感：把退耦電容盡量靠近芯片放置，加粗退耦電容到芯片之間PCB走線的寬度。從前面提到的公式（）可以看出，降低了寄生電感L1，在其他電路參數(shù)不改變的情況下，要保持同樣的阻尼系數(shù)，需要更小的電阻值。同時，寄生電感降低后，電路的振鈴頻率會提高。這都允許我們選用更小容值的電容，從而可以降低snubber電路引入的功率損耗。

總結(jié)

我們討論了開關(guān)電源和Class D功放電路里PWM信號的振鈴現(xiàn)象，振鈴帶來的危害，振鈴引起的過沖和電路的阻尼系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。然后介紹了如何用snubber對振鈴進(jìn)行抑制。最后通過一個實(shí)例介紹了snubber電路里元件值的選取。在介紹過程中，引入了一些簡單的數(shù)學(xué)公式。這些數(shù)學(xué)公式有助于加深我們對概念的理解。