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概述 開關電源和ClassD功放，因為電路工作在開關狀態，大大降低了電路的功率損耗，在當今的電子產品中得到了廣泛的應用。由于寄生電感和寄生電容的存在，電路的PWM開關波形在跳變時，常常伴隨著振鈴現象。這些振鈴常常會帶來令人煩惱的EMC問題。本文對振鈴進行探討，并采用snubber電路對PWM開關信號上的振鈴進行抑制。 振鈴現象 圖1：不同阻尼系數對應的階躍信號（從左至右分別為欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼時對應的階躍信號） 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1列出了不同阻尼系數對應的過沖OS（%）。 圖2：過沖圖示 表1，不同阻尼系數對應的過沖OS（%） 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PWM開關信號V1在0V和12V切換時，流過電感L1和電容C1的諧振電流可以達到安培量級，如圖四所示。在高頻（圖3所示電路的諧振頻率為232MHz，開關電源和ClassD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，使產品無法通過EMC認證。 圖3：LC諧振電路 圖4：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，開關電源和ClassD功放的PWM開關信號的上升/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果的影響。在圖5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成很大的回路。捕獲到的信號出現了很大的振鈴，如圖6所示。 圖5：示波器探頭上長的地線會影響PWM開關信號的測量結果 圖6：圖5測量方法對應的測試結果 為了降低示波器探頭對測量結果的影響，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7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8是使用這種方法捕獲到的PWM開關信號的前后沿波形。 圖7：通過在PCB上焊接接地點改善測量結果 圖 8：圖7測量試方法對應的測試結果 開關電源和Class D功放電路中的諧振電路 在開關電源和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，芯片電源引腳到內部硅片之間的綁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9所示。這些寄生電感和寄生電容構成了LC諧振電路。圖9中的高端MOSFET導通，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，當今芯片內部集成的功率MOSFET的RDSQN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可能很小。造成的結果是在PWM開關切換時，伴隨著比較大的振鈴。 圖9：開關電源和D類功放電路里的寄生電感和電容 圖10：圖9中高端MOSFET導通，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電路對振鈴進行抑制。如圖十一中虛線框內的電路所示，Snubber電路由一個小阻值的電阻Rsnubber和一個電容Csnubber串聯構成。其中電阻Rsnubber用來調節LC諧振電路的阻尼系數。電容Csnubber在振鈴頻率（即LC諧振頻率）處呈現很低的容抗，近似于短路。在PWM開關頻率又呈現出較高的容抗。如果沒有電容Csnubber的存在，PWM信號會一直加在電阻Rsnubber兩端，電阻Rsnubber會消耗過多的能量。 下面給Rsnubber選取合適的電阻值，讓PWM開關信號能快速穩定到終值，而又不產生振鈴（臨界阻尼）。我們以圖11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，Reqv是電路的等效并聯電阻。 圖11：snubber電路 整理得到： 用snubber改善振鈴實例 下面以一個實例介紹snubber電路元件值的選取。圖12a是一款降壓DC-DC在PWM開關引腳處測到的波形。在PWM信號開關時，伴隨著振鈴現象。通過示波器測量到的振鈴頻率為215.5MHz。我們可以構建第一個方程： 為了得到L1和C1的值，我們需要構建另外一個方程。我們給電容C1并聯一個小電容：在PWM引腳臨時對地焊接一個56pF的電容。這時，振鈴頻率變為146.2MHz，如圖十二b。據此，我們構建另一個方程： 圖13：階躍信號過沖 電容Csnubber的選擇：Csnubber元件值的選取原則是，在LC諧振頻率（振鈴頻率）處，容抗要遠小于Rsnubber的阻值。對PWM開關信號，又要呈現出足夠高的容抗。圖14是Csnubber采用560pF的電容，Rsnubber采用18歐姆電阻時，PWM開關信號的前沿波形。對比圖12a中的波形，振鈴得到了很大的改善。 圖14：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Rsnubber上，而能量消耗的多少又取決于電容Csnubber的容量，跟電阻Rsnubber的值無關。這是因為PWM信號給電容Csnubber充電時，電路給snubber電路提供的能量為C·V2，而電容只得到了其中的一半(0.5·C·V2)，另一半被Rsnubber消耗掉。改變Rsnubber的電阻值，只是改變了電容充電的速度和Rsnubber消耗能量的速度，而不改變充電一次Rsnubber所消耗的總能量。Csnubber放電時，電容儲存的能量被Rsnubber消耗。Rsnubber在一個PWM開關周期的能量消耗為C·V2。Rsnubber功率消耗為： 有些應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行限制。遇到這種情況，可以適當調整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。 總結 我們討論了開關電源和ClassD功放電路里PWM信號的振鈴現象，振鈴帶來的危害，振鈴引起的過沖和電路的阻尼系數的對應關系。然后，我們介紹了如何用snubber對振鈴進行抑制。最后，本文通過一個實例介紹了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學公式。這些數學公式有助于加深我們對概念的理解。 |
