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2018.06.07 DC/DC

开关节点的振铃

DC/DC转换器的基板布局

在探讨DC/DC转换器的PCB板布局之前,需要了解实际的印刷电路板中存在寄生电容和寄生电感。它们的影响之大超出想象,即使电路没错,因布局而产生无法按预期工作的情况,往往是因为对它们的考虑不足。本次就“开关节点的振铃”来验证其主要原因。在设计实际的布线图形时,对寄生成分等的处理无处不在。

本章中还就以下项目进行说明,要理解各项目需要参考前后相关项目,因此下面列出包括计划在内的项目一览。

实际的电路模型和开关节点的振铃

下图表示同步整流型降压型DC/DC转换器电路的寄生电容和寄生电感。即蓝色的C和L。在实际的电路中,存在印刷电路板的寄生电容和寄生电感,开关ON时及OFF时产生如示意图所示的高频振铃。

印刷布线的电感值每1mm约1nH左右。也就是说,如果布线过长(多余布线),布线电感值将增高。此外,开关用MOSFET的上升(tr)及下降(tf)时间一般为数ns。因寄生成分而产生的电压和电流可通过以下公式计算。

另外,10nH约10mm。看似很小的距离,但电流越大产生的电压也越大。

此外,由公式可知,MOSFET的tr和tf越短,电流和电压都越大。tr和tf越快速,过渡损耗越低,可提高效率,但更容易产生振铃。

振铃的频段可按 f=1/小时 来计算。假设tr和tf为5ns,则周期可认为是10ns,频段为100MHz,一般的开关频率多为500kHz~1MHz,因此产生其100~200倍的高频。

接下来介绍因本电路模型的寄生成分产生怎样的电流。首先是高边MOSFET导通时的示意图。寄生电容C2被充电,寄生电感L1~L5积蓄能量,当开关节点的电压等于VIN时,积蓄于L1~L5的能量与C2产生谐振,发生较大振铃。

其次,高边MOSFET关断时,同样寄生电容C2被充电,寄生电感L1~L5积蓄能量,当开关节点的电压几乎接近GND水平时,积蓄于L1~L5的能量此次与C1产生谐振,发生较大振铃。寄生电感中积蓄的能量和谐振频率可按右下公式进行计算。

电感L4由CBYPASS的特性决定。另外,L3和L5受PCB板布局的影响很大。本电路是开关晶体管外置型的电路示例,使用开关晶体管内置型IC时,L1、L2、C2取决于其IC,为固定值,与PCB板布局无关。

综上所述,实际的印刷电路板中存在电路图中没有的成分,因此,比如开关节点中如果布局不当,会随着开关而产生较大振铃,可能导致无法正常工作或噪声较多等问题。现在应该明白关于PCB板布局经常提到的“布线要短”的原因了。后续将介绍具体的配置和布线方法。

关键要点:

・实际的印刷电路板中,存在电路图中没有的寄生电容和寄生电感。

・寄生成分可能引发振铃等问题。

・PCB板布局要记住这些要点,争取最佳布局。