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大家在测试电源电路时，有时会碰到输出电压异常，输出纹波过大等情况，此时通常会排查SW信号来判断电路工作是否正常，异常状况下SW波形会呈现大小波现象，这里就来一起看下SW出现大小波的常见原因有哪些？应该排查什么？
一、SW大小波现象简介
SW代表BUCK电路中的开关节点。在标准工作条件下，SW点的波形表现为固定频率的方波。
Figure 1 正常工况下的SW波形
然而，在某些异常情况下，SW波形会呈现大小波状态。通常伴随着输出电压不稳定，效率降低，芯片异常发热，以及噪声纹波增大等问题。因此，在开关电源设计中，通常需要采取措施来控制SW节点上的电压波动，以确保电源的稳定性和可靠性。
Figure 2 SW大小波
二、SW大小波现象的原因分析
电路中SW出现大小波可能有以下几种原因：
• 负载变化
• 输入电压不稳定
• 环路控制和补偿设计不当
• PCB布局布线不合理
本文将从原理图设计和PCB设计两个方面，分析SW出现大小波的原因，并介绍对应的解决办法。在原理图设计方面，我们从控制模式展开分析。PCB设计方面从对SW影响最大的输出电压采样走线和FB走线展开分析。
三、原理图设计
在控制模式方面，目前常用的有峰值电流模式控制和COT控制，峰值电流模式下的SW异常状态我们通过MPQ4572举例分析。
1. 峰值电流控制模式
Figure 3 MPQ4572参考设计
MPQ4572是一款支持4.5V到60V的宽输入电压范围，持续输出电流2A，采用峰值电流控制模式的降压芯片。
测试该芯片，设置开关频率为400Khz，当Vin=18V，Vout=12V，带载1A时。SW出现了大小波，为周期性不规则波形，变化周期为200khz，刚好是开关频率的一半，这种现象可能是由次谐波振荡引起的。
Figure 4 SW大小波
测试当前的环路波形，根据bode图可以看到在200khz时，增益曲线出现尖峰，相位曲线翻转，可以判断是发生了次谐波振荡。当输入电压升高到25V以上时，SW波形恢复正常。
Figure 6 环路测试
计算两种输入下的占空比分别为 ：
Vin=18V，Vout=12V：D=66.7%>50%，
Vin=25V，Vout=12V：D=48%<50%，
已知在峰值电流模式下，当占空比大于50%时，系统可能会变得不稳定，出现次谐波振荡，SW呈现大小波。为了抑制这种振荡，通常会在控制回路中注入斜坡补偿信号。但MPQ4572芯片的内部已经设计有斜坡补偿机制，为什么还是会出现次谐波振荡的问题呢？
Figure 7 斜坡补偿
在注入斜坡信号后，扰动量的公式为
为了保证电路工作稳定，要让扰动量收敛。注入的斜坡斜率m3要大于0.5倍m2才能使该式收敛。如果m3小于0.5倍m2，即使注入了斜坡信号，也无法解决次谐波振荡问题。芯片内部注入的斜坡信号斜率通常是未知的固定值，也就是说m3是固定的，那么我们可以通过增加电感感量减小m2来保证m3＞0.5倍m2成立。当电感感量由15uh修改为33uh后，SW波形恢复正常。
Figure 8 正常SW波形
测试此时的bode图，200khz时的增益曲线尖峰消失，环路稳定。
Figure 9 33uh环路测试
2、COT控制模式
COT是通过比较Vref与FB管脚的电压来实现恒压控制，理想的FB电压与电感电流同相位。FB采样的输出电压纹波信号由电容纹波与ESR的纹波组成，电容纹波相较电感电流纹波有90度的延迟，当输出纹波主要由输出电容决定时，电路相位滞后，FB信号非线性，会导致次谐波振荡，SW出现大小波。在这种模式下，我们有三种方法可以用来抑制次谐波。
① 使用ESR足够大的电容，ESR越大，总的电路相位延迟越小，纹波接近线性，可以有效抑制次谐波振荡。
Figure 10 ESR纹波占主导
② 注入斜坡补偿
当为了效率及输出纹波幅度考虑，需要选择ESR比较小的电容时，我们可以选择注入斜坡补偿。通过外部的RC补偿给FB管脚注入斜坡信号，由Rslope引入电感纹波，Cslope提高相位，整体相位提升，可以抑制次谐波。
Figure 11 斜坡补偿
具体参数如何计算可以参考AN(Designing a Stable COT Converter for a Desired Load and Line Regulation)里的设计案例 。
③ 设置Ramp
Ramp的相位与电感纹波电流相位一致，部分芯片的Ramp可以通过PMBUS配置，Ramp越大，系统越稳定，Ramp越小，动态响应越快，实际应用中需要平衡稳态性能和动态性能。
Figure 12 设置Ramp
四、PCB设计
在PCB设计上，规避SW振荡的要点包括：
- 输出电压采样走线应尽量短、直，避免干扰。
- FB管脚比较敏感，应远离噪声源，如SW点、电感等。
- FB分压电阻要靠近管脚放置并确保FB走线短直。
五、总结
峰值电流模式控制下，确保斜坡注入信号的有效性至关重要。在COT控制模式下，当输出纹波由ESR主导时，电路稳定；由电容纹波主导时，可能出现次谐波振荡。此时，我们可以通过选用ESR较大的电容、增加外部RC补偿或内部配置RAMP来解决问题。最后，良好的PCB设计也是确保电源稳定性的关键。
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