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升压型DC-DC转换器中高频噪声的产生原因

关键词:DC-DC转换器 高频噪声

时间:2024-03-20 10:51:04      来源:罗姆半导体集团

在升压型DC-DC转换器中,当低边开关导通时,会使电感电流增加并积蓄能量;当低边开关关断时,积蓄的能量会被释放,从而使电感产生反电动势引起的高电压,最终形成高于输入电压的输出电压。在开关工作期间,电压和电流的高速变化会产生高频振动,该振动会成为高频噪声并通过输出线路被传播和辐射出去,从而造成故障。

本文的关键要点

・在升压型DC-DC转换器中,高速变化的脉冲状电流会流入输出,从而引发振铃并产生高频噪声。

・低边开关关断时振铃的能量源来自高边开关的导通延迟和输出环路的电感使开关节点的电压上升至高于输出电压后的电位差。

・低边开关关断时的振铃是由低边开关的COSS和输出环路的电感分量引起的LC谐振造成的。

・低边开关导通时振铃的能量源来自高边开关的反向恢复电流和对高边开关电容的充电电流。

・低边开关导通时的振铃是由高边开关的电容分量和输出环路的电感分量引起的LC谐振造成的。

本文介绍第一个主题“升压型DC-DC转换器中高频噪声的产生原因”。

关于升压电源的输出中产生远高于开关频率的高频噪声的原因,将从“升压型DC-DC转换器的工作”、“输出电容器和布线中的电感分量”、“低边开关的输出容量和振铃”和“低边开关导通时的工作”几个角度进行说明。

升压型DC-DC转换器的工作

在升压型DC-DC转换器中,当低边开关导通时,会使电感电流增加并积蓄能量;当低边开关关断时,积蓄的能量会被释放,从而使电感产生反电动势引起的高电压,最终形成高于输入电压的输出电压。在开关工作期间,电压和电流的高速变化会产生高频振动,该振动会成为高频噪声并通过输出线路被传播和辐射出去,从而造成故障。

首先来了解一下低边开关从导通转为关断过程中的详细工作。在低边开关FET完全导通的状态下,漏极和源极之间的电阻为RDSON的阻值,漏极电压为“RDSON×电感电流”。从此时开始,当FET的栅极驱动转为关断时,漏极和源极之间的电阻值上升,漏极电压也开始上升。

当低边开关关断时,漏极和源极之间会产生容性分量COSS,部分电感电流会被用来对COSS充电。由于流经漏极和源极间电阻分量的电流导致的导通损耗,以及充入COSS的电荷量,使部分能量损失,与此同时漏极电压继续上升。

当开关节点的电压VSW变得高于输出电压时,高边开关整流二极管被正向偏置。即使正向偏置电压高于整流二极管的VF,由于整流二极管存在导通延迟,因此电流也不会开始流动,漏极电压上升至高于“输出电压+VF”的电压。经过数ns的导通延迟后,整流二极管变为导通状态,电感电流开始向输出电容器充电。

输出电容器和布线中的电感分量

由于整流二极管的导通延迟,已上升至高于输出电压电位的VSW被施加给输出电容器,因电位差很大,输出电容器开始被快速充电。在此之前,输出电容器一直通过放电向负载提供电流,但从此时开始将通过电感电流进行充电。从放电到充电,流经电容器的电流以纳秒级的速度改变为相反的反向。

电容器的电感分量ESL为数nH~数十nH,但根据由充放电电流的变化值ΔI(以A为单位)和变化速度ΔT(以ns为单位)组成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT,在ΔT的时间内会发生反电动势ΔV,输出电容器中也会产生高电压。因此,输出电容器会在整流二极管刚刚导通后立即产生尖峰状的高电压。

低边开关的输出容量和振铃

COSS被充电,达到输出电容器中也会产生的尖峰状高电压的程度,然后COSS中存储的能量被释放并流入输出电容器,并以磁能的形式存储在电感分量ESL中。

当COSS的电压通过放电下降到VOUT的电位时,电位差消失,ESL中的磁能停止增加,利用ESL此前积蓄的磁能,进入恒流状态,继续从COSS中吸取电荷,COSS的电压降至VOUT以下。

随着COSS电压的降低,ESL的磁能减少,当磁能达到0时,COSS停止放电。此时COSS的电位低于VOUT,电流从输出电容反向流向低边开关的COSS,并对COSS充电,同时ESL中开始积蓄与先前方向相反的磁能。

此后,能量在低边开关的COSS和输出电容器ESL之间的反复移动,并产生因电压和电流的往复而导致的振荡状态。严格来讲,电感分量是由ESL与流过该充放电电流的环路的电感分量之和L值以及低边开关的COSS引起的LC谐振,谐振频率FZ为 FZ=1/2π√(L×COSS)。

电感分量总计为数nH,COSS的容量为数十~数百pF,因此该谐振频率通常在数十~数百MHz的范围内。开关节点和输出电容器处产生的振铃会成为高频噪声,该噪声会通过电源输出线传播并造成负载电路误动作等故障。

低边开关导通时的工作

在低边开关刚要导通前,“输出电压+VF”的电压会被施加给低边开关的漏极,整流二极管(即高边开关)中流过电感电流。从这里开始,当低边开关向导通状态转变时,流向输出的电感器电流会从高边开关流向低边开关。

VSW电压开始下降至GND电位,整流二极管(高边开关)变为反向偏置状态。由于在此之前流过二极管的电流使二极管的结点处存在自由电子和空穴,因此即使二极管处于反向偏置状态也不会立即变为截止状态,在很短的时间内有反向电流流过。该电流称为“反向恢复电流”,该电流使输出环路中流过电流高速变化的反向电流。

当反向恢复电流结束时,二极管因反向偏压状态而变为截止状态,通过PN结的耗尽层,成为电容量较小的电容器。当高边开关采用FET同步整流方式时,FET具有寄生二极管,因此存在“耗尽层+源极和漏极间的物理结构+栅极电容”形成的电容COSS。充电电流会随着反向恢复电流流向这些电容。由高边开关的电容和输出环路的电感分量组成的LC谐振电路中,会产生将反向流动的电流作为能量源的高频噪声。

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