升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因

本文的關(guān)鍵要點

?在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，高速變化的脈沖狀電流會流入輸出，從而引發(fā)振鈴并產(chǎn)生高頻噪聲。

?低邊開關(guān)關(guān)斷時振鈴的能量源來自高邊開關(guān)的導(dǎo)通延遲和輸出環(huán)路的電感使開關(guān)節(jié)點的電壓上升至高于輸出電壓后的電位差。

?低邊開關(guān)關(guān)斷時的振鈴是由低邊開關(guān)的COSS和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。

?低邊開關(guān)導(dǎo)通時振鈴的能量源來自高邊開關(guān)的反向恢復(fù)電流和對高邊開關(guān)電容的充電電流。

?低邊開關(guān)導(dǎo)通時的振鈴是由高邊開關(guān)的電容分量和輸出環(huán)路的電感分量引起的LC諧振造成的。

本文介紹第一個主題“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中高頻噪聲的產(chǎn)生原因”。

關(guān)于升壓電源的輸出中產(chǎn)生遠高于開關(guān)頻率的高頻噪聲的原因，將從“升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作”、“輸出電容器和布線中的電感分量”、“低邊開關(guān)的輸出容量和振鈴”和“低邊開關(guān)導(dǎo)通時的工作”幾個角度進行說明。

升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作

在升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器中，當?shù)瓦呴_關(guān)導(dǎo)通時，會使電感電流增加并積蓄能量；當?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷時，積蓄的能量會被釋放，從而使電感產(chǎn)生反電動勢引起的高電壓，最終形成高于輸入電壓的輸出電壓。在開關(guān)工作期間，電壓和電流的高速變化會產(chǎn)生高頻振動，該振動會成為高頻噪聲并通過輸出線路被傳播和輻射出去，從而造成故障。

首先來了解一下低邊開關(guān)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷過程中的詳細工作。在低邊開關(guān)FET完全導(dǎo)通的狀態(tài)下，漏極和源極之間的電阻為RDSON的阻值，漏極電壓為“RDSON×電感電流”。從此時開始，當FET的柵極驅(qū)動轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，漏極和源極之間的電阻值上升，漏極電壓也開始上升。

當?shù)瓦呴_關(guān)關(guān)斷時，漏極和源極之間會產(chǎn)生容性分量COSS，部分電感電流會被用來對COSS充電。由于流經(jīng)漏極和源極間電阻分量的電流導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗，以及充入COSS的電荷量，使部分能量損失，與此同時漏極電壓繼續(xù)上升。

當開關(guān)節(jié)點的電壓VSW變得高于輸出電壓時，高邊開關(guān)整流二極管被正向偏置。即使正向偏置電壓高于整流二極管的VF，由于整流二極管存在導(dǎo)通延遲，因此電流也不會開始流動，漏極電壓上升至高于“輸出電壓+VF”的電壓。經(jīng)過數(shù)ns的導(dǎo)通延遲后，整流二極管變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電感電流開始向輸出電容器充電。

輸出電容器和布線中的電感分量

由于整流二極管的導(dǎo)通延遲，已上升至高于輸出電壓電位的VSW被施加給輸出電容器，因電位差很大，輸出電容器開始被快速充電。在此之前，輸出電容器一直通過放電向負載提供電流，但從此時開始將通過電感電流進行充電。從放電到充電，流經(jīng)電容器的電流以納秒級的速度改變?yōu)橄喾吹姆聪颉?/p>

電容器的電感分量ESL為數(shù)nH～數(shù)十nH，但根據(jù)由充放電電流的變化值ΔI（以A為單位）和變化速度ΔT（以ns為單位）組成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT，在ΔT的時間內(nèi)會發(fā)生反電動勢ΔV，輸出電容器中也會產(chǎn)生高電壓。因此，輸出電容器會在整流二極管剛剛導(dǎo)通后立即產(chǎn)生尖峰狀的高電壓。

低邊開關(guān)的輸出容量和振鈴

COSS被充電，達到輸出電容器中也會產(chǎn)生的尖峰狀高電壓的程度，然后COSS中存儲的能量被釋放并流入輸出電容器，并以磁能的形式存儲在電感分量ESL中。

當COSS的電壓通過放電下降到VOUT的電位時，電位差消失，ESL中的磁能停止增加，利用ESL此前積蓄的磁能，進入恒流狀態(tài)，繼續(xù)從COSS中吸取電荷，COSS的電壓降至VOUT以下。

隨著COSS電壓的降低，ESL的磁能減少，當磁能達到0時，COSS停止放電。此時COSS的電位低于VOUT，電流從輸出電容反向流向低邊開關(guān)的COSS，并對COSS充電，同時ESL中開始積蓄與先前方向相反的磁能。

此后，能量在低邊開關(guān)的COSS和輸出電容器ESL之間的反復(fù)移動，并產(chǎn)生因電壓和電流的往復(fù)而導(dǎo)致的振蕩狀態(tài)。嚴格來講，電感分量是由ESL與流過該充放電電流的環(huán)路的電感分量之和L值以及低邊開關(guān)的COSS引起的LC諧振，諧振頻率FZ為　FZ=1/2π√(L×COSS)。

電感分量總計為數(shù)nH，COSS的容量為數(shù)十～數(shù)百pF，因此該諧振頻率通常在數(shù)十～數(shù)百MHz的范圍內(nèi)。開關(guān)節(jié)點和輸出電容器處產(chǎn)生的振鈴會成為高頻噪聲，該噪聲會通過電源輸出線傳播并造成負載電路誤動作等故障。

低邊開關(guān)導(dǎo)通時的工作

在低邊開關(guān)剛要導(dǎo)通前，“輸出電壓＋VF”的電壓會被施加給低邊開關(guān)的漏極，整流二極管（即高邊開關(guān)）中流過電感電流。從這里開始，當?shù)瓦呴_關(guān)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時，流向輸出的電感器電流會從高邊開關(guān)流向低邊開關(guān)。

VSW電壓開始下降至GND電位，整流二極管（高邊開關(guān)）變?yōu)榉聪蚱脿顟B(tài)。由于在此之前流過二極管的電流使二極管的結(jié)點處存在自由電子和空穴，因此即使二極管處于反向偏置狀態(tài)也不會立即變?yōu)榻刂範顟B(tài)，在很短的時間內(nèi)有反向電流流過。該電流稱為“反向恢復(fù)電流”，該電流使輸出環(huán)路中流過電流高速變化的反向電流。

當反向恢復(fù)電流結(jié)束時，二極管因反向偏壓狀態(tài)而變?yōu)榻刂範顟B(tài)，通過PN結(jié)的耗盡層，成為電容量較小的電容器。當高邊開關(guān)采用FET同步整流方式時，F(xiàn)ET具有寄生二極管，因此存在“耗盡層+源極和漏極間的物理結(jié)構(gòu)+柵極電容”形成的電容COSS。充電電流會隨著反向恢復(fù)電流流向這些電容。由高邊開關(guān)的電容和輸出環(huán)路的電感分量組成的LC諧振電路中，會產(chǎn)生將反向流動的電流作為能量源的高頻噪聲。