抑制DC/DC BOOST電路尖峰電壓及振鈴噪聲的設(shè)計與應(yīng)用

摘 要：針對開關(guān)電源DC/DC BOOST電路易出現(xiàn)電磁輻射偏高甚至超標(biāo)問題，通過對升壓轉(zhuǎn)換電路及其電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理研究，提出一種DC/DC BOOST電路系統(tǒng)中寄生電容容值的確定方法及基于RC吸收電路的振鈴噪聲抑制方法，通過對RC吸收電路的元件參數(shù)進(jìn)行計算取值并實測，測試數(shù)據(jù)顯示，電路系統(tǒng)中尖峰電壓有效降低2.2%，振鈴噪聲已無限趨近于0，電磁輻射峰值可有效降低4.2 dB；同時該方法不影響電路系統(tǒng)穩(wěn)定性且成本低廉，契合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化設(shè)計需求，可有效提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：DC/DC BOOST；尖峰電壓；振鈴噪聲；RC吸收電路；電磁輻射

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0045-05

Abstract： Aiming at the problem of high electromagnetic radiation or even excessive electromagnetic radiation in DC/DC BOOST circuit of switching power supply， a method for determining the capacitance of parasitic capacitance in DC/DC BOOST circuit system and a ringing noise suppression method based on RC snubber circuit are proposed through the study of boost conversion circuit and its electromagnetic radiation generation mechanism. By calculating and measuring the component parameters of RC snubber circuit， the test data are displayed. The peak voltage in the circuit system is effectively reduced by 2.2%， the ringing noise is infinitely close to zero， and the peak electromagnetic radiation can effectively reduce 4.2 dB. At the same time， this method does not affect the stability of the circuit system and low cost， meets the needs of large-scale industrial design， and can effectively improve the efficiency of product development.

Keywords： DC/233437460fe85acfbfc6f5458b806afbDC BOOST; spike voltage; ringing noise; RC snubber circuit; electromagnetic radiation

直流升壓式（DC/DC BOOST）開關(guān)電源電路因效率高、重量輕、輸出功率大等優(yōu)點，在各行各業(yè)電子產(chǎn)品中均有廣泛應(yīng)用。但由于其工作在開關(guān)狀態(tài)，會產(chǎn)生較大的信號噪聲進(jìn)而導(dǎo)致電磁輻射不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度及系統(tǒng)可靠性。本文從實際工程設(shè)計及應(yīng)用出發(fā)，通過對DC/DC BOOST電路及其電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出基于RC吸收電路的MOS尖峰電壓及振鈴噪聲抑制方法，并給出RC參數(shù)取值思路及電路示例。經(jīng)實際測試及試驗驗證，電路系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抑制效果明顯，系統(tǒng)電磁輻射指標(biāo)顯著降低。

1 原理與設(shè)計

1.1 DC/DC BOOST電路介紹及其電磁輻射機(jī)理分析

1.1.1 DC/DC BOOST電路構(gòu)成

DC/DC BOOST電路主要由DC/DC控制芯片、場效應(yīng)管MOSFET（以下均簡稱功率開關(guān)MOS）、儲能電感、整流二極管、濾波電容以及外圍阻容器件構(gòu)成。常見的DC/DC BOOST電路的功能框圖如圖1所示。

圖2給出了DC/DC BOOST電路的典型原理圖。當(dāng)MOS管Q1導(dǎo)通時，電源Vin通過電感L將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存起來，且C2上電能因二極管D1的存在而無法通過MOS管放電；當(dāng)MOS關(guān)斷后，電感將儲存的磁場能轉(zhuǎn)換為電場能，且這個能量在和輸入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波得到平滑的直流電壓。由于這個電壓是輸入電源電壓和電感的磁能轉(zhuǎn)換為電能的疊加后形成的，因此輸出電壓高于輸入電壓，實現(xiàn)了升壓的目的，升壓過程完成。通過DC/DC控制芯片調(diào)節(jié)MOS關(guān)斷和導(dǎo)通的時間，即可以實現(xiàn)對輸出電壓的控制。

為了更準(zhǔn)確分析電路中影響電磁輻射的各個要素，圖3給出了DC/DC電路主要寄生參數(shù)的等效電路。

其中，L1、L2、L3和L4為電路中PCB走線寄生電感，L5為儲能電感；C1為二極管結(jié)電容和PCB寄生電容構(gòu)成的總電容；C2為輸入電容；C3為功率開關(guān)MOS的結(jié)電容、PCB寄生電容、元件貼裝等構(gòu)成的總電容；C4為輸出電容；D1為二極管；Q1為功率開關(guān)MOS。

電路工作過程中，功率開關(guān)MOS在關(guān)斷、接通過程，二極管關(guān)斷、導(dǎo)通過程中、正向?qū)ê?，都會消耗電路中的一部分能量，因此為了減少損耗，要求MOS關(guān)斷和接通損耗盡量低，二極管其正向壓降越小越好及反向電流小、恢復(fù)時間短，以使更多的能量提供給負(fù)載，提高驅(qū)動電路的效率。因此在DC/DC BOOST電路設(shè)計中，功率開關(guān)MOS選用Ton / Toff時間短、導(dǎo)通阻抗低、耐壓及過流能力符合設(shè)計要求的型號，二極管一般采用肖特基二極管。

1.1.2 DC/DC BOOST電路的電磁輻射機(jī)理分析

DC/DC電路的工作頻率多在100 kHz～1 MHz之間，因此電路中的dv/dt、di/dt較大，且由于電路中存在的寄生參數(shù)，容易在開關(guān)器件附近以及輸出端產(chǎn)生較大的沖擊電壓、沖擊電流和其他雜散噪聲及振鈴，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射。功率開關(guān)MOS與PCB走線寄生電感和MOS結(jié)電容構(gòu)成的開關(guān)回路、寄生電感與MOS結(jié)電容構(gòu)成的LC回路、寄生電感和二極管結(jié)電容/寄生電容與整流二極管和輸出電容構(gòu)成的輸出整流回路、功率開關(guān)MOS與寄生電感構(gòu)成的控制回路等都是主要的輻射源，因此，在進(jìn)行DC/DC BOOST電路模塊的PCB設(shè)計時，必須進(jìn)行合理的器件布局和良好的接地，以減小電路中寄生電感和電容。各回路如圖4所示。

1）開關(guān)回路。功率開關(guān)MOS在快速關(guān)斷與接通過程中產(chǎn)生的尖峰和波形中的高頻紋波都是較高的輻射源。功率開關(guān)MOS接通的瞬間，由于MOS的Vds突變，會出現(xiàn)較大的浪涌電流，將造成尖峰噪聲。當(dāng)導(dǎo)通的MOS關(guān)斷時，由于MOS的Ids突變，電路中存在的寄生電感L1、L2會產(chǎn)生反向電動勢E=L，其值與功率開關(guān)MOS漏極的電流變化率成正比，與寄生電感成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成輻射干擾。

2）LC回路。LC回路是產(chǎn)生尖峰電壓和振鈴噪聲的直接原因，L為電路中漏感及元器件引線電感等寄生電感之和，C為功率開關(guān)MOS的結(jié)電容及其他寄生電容之和。在MOS關(guān)斷時，L和C形成的振蕩電路會產(chǎn)生振蕩波形，疊加在MOS的漏極電壓上，形成尖峰電壓（過沖電壓），并在高頻（幾十兆到幾百兆赫茲）范圍內(nèi)進(jìn)行衰減振蕩，此高頻對電磁輻射影響很大。如圖5所示。

3）整流回路。當(dāng)輸出端肖特基整流二極管由反向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)üぷ鞯倪^程中，由于電壓突變及肖特基結(jié)電容、寄生電容的影響，會產(chǎn)生一個較高的沖擊電流。而由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到反向截止?fàn)顟B(tài)時，正向電流會迅速下降到零。但由于反向電壓的作用，二極管的結(jié)電容仍然在進(jìn)行反向充電，便形成了反向沖擊電流。由于轉(zhuǎn)換前正向電流和結(jié)電容大小的不同，反向電流變化率也會呈現(xiàn)很大的差異，因而在電路中產(chǎn)生明顯的高頻干擾。所以，二極管導(dǎo)通時的電流大小、反向恢復(fù)時間和電流變化率直接影響噪聲大小。

4）控制回路。PWM脈沖控制信號會對輻射強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響。隨著PWM脈沖頻率以及PWM波形上升/下降沿速率的不同，DC/DC電路的輻射頻譜和強(qiáng)度會產(chǎn)生明顯的變化。通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)MOS柵極的驅(qū)動電阻阻值，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的上升/下降沿速率，能夠有效抑制電路的電磁輻射。但需要說明，功率開關(guān)MOS柵極的驅(qū)動電阻阻值越大，MOS柵極輸入電容的充放電時間越長，進(jìn)而柵極驅(qū)動信號的上升/下降沿越緩，帶來的問題是MOS驅(qū)動損耗增加，發(fā)熱量增大。

1.2 電磁輻射優(yōu)化電路工作原理分析

1.2.1 DC/DC BOOST電路的電磁輻射優(yōu)化措施

電磁輻射問題主要是通過抑制干擾源、控制輻射路徑、對敏感元器件進(jìn)行屏蔽3個方面來解決，而抑制干擾源通常是首選之策。因此，本文從抑制干擾源的角度出發(fā)，減小電磁輻射強(qiáng)度，使電路滿足產(chǎn)品需求。在此，基于前面的分析針對開關(guān)回路和LC回路提出了一種成本低廉實施簡便的電磁輻射優(yōu)化措施，對其分析并提出實際應(yīng)用思路。電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6中，Rs為吸收電阻，Cs為吸收電容。

1.2.2 電磁輻射抑制原理分析

圖6中，在功率開關(guān)MOS的漏極和源極并聯(lián)了一個由電阻Rs串聯(lián)一個電容Cs構(gòu)成的吸收回路。在實際工程應(yīng)用中，不可避免地會存在寄生電感L和雜散電容C3。L主要來自于PCB布線以及元器件的引線電感；C3主要由MOS結(jié)電容、PCB布局及走線以及元件貼裝構(gòu)成。當(dāng)無RC吸收電路時， L（L=L1+L2）和C3共同與電源構(gòu)成了一個閉合環(huán)路，在功率開關(guān)MOS Q1的漏極和源極由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時， L和C3組成的振蕩電路產(chǎn)生高頻噪聲，在波形上形成振鈴。同時，寄生電感L2在Q1關(guān)斷瞬間，其兩端電壓極性反向，與漏極電壓疊加形成尖峰電壓。開關(guān)MOS漏極的高頻振鈴噪聲和尖峰電壓是BOOST電路產(chǎn)生電磁輻射的主要因素，同時也制約了器件選型范圍，對系統(tǒng)成本和可靠性帶來巨大考驗。

加入圖6中Rs與Cs組成的吸收電路后，寄生電感L與雜散電容C3組成的振蕩電路參數(shù)條件被破壞。此時，在Q1漏極產(chǎn)生的沖擊電壓與振鈴噪聲通過Rs、Cs、C3形成的回路進(jìn)行消耗衰減，改善了功率開關(guān)MOS的漏極波形，從而降低電路輻射。

通過RC回路的引入，可以將LC回路調(diào)整到臨界阻尼狀態(tài)，使電路中寄生參數(shù)形成的振蕩能夠在最短時間內(nèi)衰減，從而有效減弱振鈴噪聲，改善電磁輻射。同時在臨界阻尼狀態(tài)下，同時確保MOS漏極電壓在關(guān)斷時可在最短時間內(nèi)拉升至Vout（忽略D1壓降）。Rs的作用是吸收LC回路中電磁能量并進(jìn)行熱消耗，且Rs上耗散的功率與Rs取值無關(guān)，只與Cs容值及其兩端電壓有關(guān)；Cs為振鈴噪聲信號提供最小阻抗路徑，其容值的大小也決定了尖峰電壓的抑制程度和振鈴頻率的吸收范圍。Cs越大，對尖峰電壓抑制效果越好，但同時系統(tǒng)功耗會增加。實際工程使用中，Cs的容值不宜過大。由于Cs兩端電壓會達(dá)到Vds，其容量越大，電容在一個開關(guān)周期內(nèi)存儲的能量越多（電流越大），造成Rs的功耗增大與發(fā)熱增加，同時也使MOS開通損耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

對于電感和功率開關(guān)晶體管構(gòu)成的BOOST電路，會存在功率開關(guān)晶體管在開通和關(guān)斷時其電流與電壓重疊部分而引起的開關(guān)損耗，對于雙極性晶體管作為開關(guān)的電路中，關(guān)斷損耗占總損耗的大部分；對于采用MOSFET作為開關(guān)的電路中，關(guān)斷損耗相對較小，但開通損耗較大，主要是因為MOS的漏源極電容中儲存的能量會在MOS開通時以損耗的形式釋放。當(dāng)增加RC吸收電路，同時也增加了MOS輸出端電容量，在MOS開通時，輸出電容中儲存的能量通過R、MOS形成的回路進(jìn)行放電，從而加劇MOS開通損耗。因此，RC吸收電路在抑制MOS漏極關(guān)斷時的尖峰電壓及振鈴噪聲的同時，對系統(tǒng)的效率帶來一些負(fù)面影響，在實際工程應(yīng)用中需要綜合考量，在性能和效率之間進(jìn)行折中取舍。

1.2.3 RC吸收電路的取值分析

RC吸收電路主要是吸收沖擊電壓和抑制電路中的振鈴。該電路參數(shù)的設(shè)計難度在于：吸收過程與很多因素相關(guān)，包括電路PCB中的寄生電感、寄生電容、分布電容、電壓電流變化率和肖特基反向恢復(fù)特性等。為確定Rs和Cs的大小，下面根據(jù)圖6電路給出RC參數(shù)選取的思路。

1）首先，未增加RC吸收電路前，確定由寄生電感L和寄生電容C3引起的振鈴頻率f1

f1=（f1可在電路工作時由示波器測量測出）。 （1）

2）同樣，不增加RC吸收電路，在功率開關(guān)MOS的漏極與源極兩端并聯(lián)無極性電容Cext，測量并得到此時振鈴波形的頻率f２

f２=（f２可同理由示波器測出）。（2）

電容Cext的引入會增加LC回路的總電容值，所以通常情況下f2會遠(yuǎn)小于f1。在實際工程設(shè)計應(yīng)用中，Cext容值建議在100～1 000 pF選取，并可通過調(diào)整不同Cext容值，使f2與f1盡可能呈倍數(shù)關(guān)系，以便于計算。

3）利用（1）和（2）兩式可計算出電路中的寄生電容C3和寄生電感L。

4）當(dāng)阻尼吸收電阻Rs與LC回路的特性阻抗相同時，即Rs=，電路處于臨界阻尼狀態(tài)，理論上對尖峰電壓及振鈴噪聲的抑制效果最好[1-4]。

5）RC吸收電路主要目的是抑制MOS漏極振鈴噪聲信號的振幅，吸收電容Cs的充電時間為振鈴噪聲的上半周期時間，在此期間需抑制振鈴的上升幅度；Cs的放電時間為振鈴噪聲的下半周期時間，在此期間需抑制振鈴的下降幅度，從而整體加速振鈴噪聲的衰減。所以，Cs值可以按照如下公式計算確定

（τ=Rs×Cs）≥（=），即Cs≥， （3）

式中：τ為RC吸收電路的時間常數(shù)；T為振鈴噪聲信號的周期。

按照計算得出的Rs與Cs，結(jié)合實際電路中測量到的振鈴噪聲信號波形微調(diào)Rs與Cs大小，最終得出吸收電路的最佳取值。

6）對于電容Cs，如果取值過大，會使Rs功耗增加，降低電路效率。因此，Cs的取值不宜過大，滿足實測電磁輻射的要求即可。Rs的功率取值可按照如下方法確定。

電容Cs的瞬時功耗為

P（t）=U（t）×I（t）=Cs×U（t）。 （4）

在一個開關(guān)周期內(nèi)，電容Cs上吸收的能量為

W1=Ｐ（t）d（t）=Cs×Ｕ（t）×dU=×Cs×U2，（5）

根據(jù)公式（4）和（5），電阻Rs的功耗

P=0.5×f×Cs×U2 ， （6）

式中：Cs為吸收電容；f為PWM開關(guān)頻率；U為功率開關(guān)MOS的漏極峰值電壓。

電阻Rs的功率選取需大于公式（6）計算得出的實際功耗，且建議保留20%以上余量。

2 實驗驗證

2.1 實際電路驗證

按照圖6設(shè)置電路參數(shù)，Vin=24 V，L5=68 ？滋H，Vout=68 V，功率開關(guān)MOS工作頻率f為130 kHz，占空比75%。

實測電路工作時MOS的漏極電壓上的振鈴頻率f1=90 MHz。在MOS的漏極和源極并聯(lián)680 pF電容Cext，實測漏極電壓上振鈴頻率f2=43 MHz。使用公式（1）和（2）計算得出電路中寄生電感之和L=L1+L2=15.6 nH、MOS結(jié)電容與寄生電容等之和C3為200 pF。則LC回路的特性阻抗Zo==8.83 Ω。如前述，實測電路中Rs取值為與LC振蕩電路特性阻抗相接近的阻值10 Ω。

根據(jù)公式（3），吸收電容Cs≥=555 pF，實測電路中Cs取值為680 pF。

根據(jù)公式（6）以及圖6中的配置參數(shù)，計算出吸收電阻Rs的功耗

P=0.5×f×Cs×U2=0.204 W。

綜上，實際電路及測試時，選取Cs=680 pF（耐壓＞Vout），Rs=10 Ω（額定功率0.25 W）。

表1給出未加RC吸收電路和增加RC吸收電路后的DC/DC電路電氣參數(shù)與輻射強(qiáng)度實測對比圖。

2.2 測試數(shù)據(jù)匯總對比及總結(jié)

表2為增加RC吸收回路前后，功率開關(guān)MOS的漏極的尖峰電壓、振鈴強(qiáng)度、振鈴頻率與升壓電路的輻射強(qiáng)度及最高輻射頻點的對比。

功率開關(guān)MOS并聯(lián)RC吸收回路后，尖峰電壓顯著降低2.2%；振鈴強(qiáng)度和振鈴頻率因振鈴噪聲基本消失而無法準(zhǔn)確測出；電路系統(tǒng)的輻射強(qiáng)度顯著降低4.2 dB。

3 結(jié)論

本文通過對DC/DC BOOST及其電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，對電路的寄生參數(shù)提出一種確定方法，最后經(jīng)過計算確定RC吸收電路的參數(shù)取值。經(jīng)實際驗證，優(yōu)化方案便于應(yīng)用、可操作性強(qiáng)，滿足工程應(yīng)用需求，對實際工程設(shè)計及應(yīng)用有典型的指導(dǎo)意義。

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