【电源小课堂】Buck电路输入电容放置有讲究

下面我们通过仿真波形来辅助分析SW上升沿震荡产生的原因:


图8:仿真波形图

截取SW电压和下管体二极管iD2的波形,我们将波形分为Ⅲ部分:
Ⅰ:t0-t1时刻,Q1和Q2都关断,此时电感L5的电流由二极管D2续流,可以看到SW有-0.7V左右的二极管压降;
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图9:t0-t1时刻

Ⅱ:t1-t2时刻,t1时刻,Q1开通,此时二极管D2会承受来自Vin的反压,导致二极管电流迅速减小,由于二极管本身存在反向恢复,所以会看到二极管电流会变负;在这个过程中,D2,L3支路的电流减小,因此会在电感L3上面感生出上正下负的电压,这就是t1-t2时刻,SW第一段阶跃的原因;此时二极管D2仍在导通,C2还未进行充电;
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图10:t1-t2时刻

Ⅲ:t2时刻之后,iD2的电流因为反向恢复变为负值,此刻进入第三阶段,谐振阶段;
谐振阶段又可分为对C2充电和对C2放电二个阶段,仿真波形中增加电感L1和L3的电流iL1和iL3。
通过仿真波形可以看到:


图11:谐振阶段波形图

t2-t3时刻,电感电流iL1同时对C2和L5充电,此时SW点电压慢慢爬升,由于SW点电压小于Vin电压,iL1电流不断增大,因为负载电流恒定,因此电感L3电流不断增大,直到SW电压等于Vin电压时,电感L1电流达到最大,C2继续被充电,SW电压高于Vin,之后电感L1电流开始减小,iL3也开始减小,直到为0,此时C2停止充电,SW电压到达最高点,且iL1等于负载电流;

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图12:t2-t3时刻

了解SW上升沿尖峰产生的原因之后,我们看一下L1和L4的大小对SW上升沿尖峰有什么影响呢?

由于这两个寄生的电感的大小在实际的PCB中很难去精准量化,所以我们通过仿真的方式进行验证。仿真参数如下,通过选取4组不同的L1和L4的电感值,读取max(Vsw)值,结果如下:


图14:仿真结果图

通过仿真可以看到,L1与L4任何一个电感的感量大小都对下管SW上升沿尖峰的Max值都有影响,且L1与L4的感值越大,下管的SW的正向尖峰越大;
仿真参数如下:Vin=12V,Vo=0.8V,Io=40A,Fs=500K; L2=L3=500pH;C1=C2=5nF;Cin=40u,忽略寄生ESR,ESL;

下面我们介绍一下SW下降沿负尖峰产生的原因和影响因素。同样结合SW电压,iL1和iL3的电流仿真波形,可以看到:


图15:SW电压,iL1和iL3的电流仿真波形图

t0时刻,Q1关断时,Q2未开通时,输出电感L5电流可以近似认为不变,此时有两条电流支路为电感L5提供能量,分别为:

Loop1:L1-C1-L5-C3-L4-Cin-L1
Loop2:C2-L3-L5-C3-C2

其中Loop1的电流在减小,Loop2的电流在增加;对于电感L3来说,电感电流突然增加,就会感生出下正上负的电压,因此在SW的下降沿会看到负压;

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图16:t0时刻电流流向图

通过仿真,L3分别选择不同的感值,仿真结果如下:


图17:L3分别选择不同的感值仿真结果图

通过仿真结果可知负压的大小跟寄生电感L3相关,且感值越大,负压越负。

同样我们用最小环测试Buck电路上管电压应力时,也会经常看到在上管关断时,VIN-SW出现很大的电压尖峰,这个尖峰过大,同样会损坏上管。下面我们看一下这个震荡尖峰产生的原因;


图18: VIN-SW电压尖峰

结合VIN-SW电压和电感L1和L3的电流iL1和iL3的仿真波形,根据iL1的过0点,把整个过程可以分为Ⅱ个段:

Ⅰ(t0-t1):t0时刻,Q1关断,电感L1上的能量经过L1-C1-L5-C3-L4-Cin-L1对C1进行充电。 iL1电流不断减小,在iL1电流过0时,C1停止充电,此VIN-SW电压到达最高点,此时进入阶段Ⅱ;

Ⅱ(t1-t2):t1时刻,当iL1过0时,由于C1电压大于Vin,因此C1经过C1-L1-Cin-L4-Q2-L3-C1进行放电,直到iL1电流为0,C1停止放电,VIN-SW电压下降到最低点,然后重复Ⅰ和Ⅱ这两个过程,由于线路寄生电阻的存在,最终VIN-SW电压稳定在VIN;

在整个过程中电感L5上的能量经过L5-C3-Q2 -L3-L5续流;



图19:VIN-SW、iL1和iL3仿真波形图及各阶段电流流向图

下面同样用仿真的方式看一下L1和L4的感值对Vin-SW尖峰的影响,依旧选取四组不同的电感参数。仿真结果如下:


图20:不同感值下的仿真对比图

由仿真结果可见L1和L4的大小都会影响上管关断时的电压应力,且感值越大,应力也会越大。

下面给大家分享一下不同的电压应力测试点,对实际的测试结果造成的影响。

当我们在实际测试下管电压应力时,由于芯片pin脚不容易点到,很多时候探头的GND会放在Cin cap的GND上,此时测量会引入寄生电感L4的影响。通过仿真波形可以看到:以Cin cap的负极为GND,SW上升沿尖峰测试会偏小,SW下降沿尖峰会偏大。


图21:电压应力测试点在Cin cap的GND上

当我们在测试上管电压应力时,如果探头的正极放在Cin cap的Vin上,此时测量会引入寄生电感L1的影响;通过仿真波形可知:此时测出的电压应力会比实际值偏小;


图22:电压应力测试点在Cin cap的Vin上