在之前一篇文章中我們花了很大篇幅講述了串聯RLC的零輸入響應和零狀態響應的振蕩原理,這是因為電源相關的實際電路中存在的振蕩(或者說是振鈴)很多都是這個原因。比如前文中描述的BUCK電源電感在DCM模式下工作時,當主開關管關斷,續流二極管工作時,電感電流為0時,開關節點處的電壓會存在一段時間的衰減振蕩;BUCK電源開關節點在主開關管導通,二極管(或同步開關管)關斷時的電壓尖峰振鈴;還有反激開關電源漏感導致的開關節點電壓尖峰振蕩等等。上述這幾種情形的本質機理都是RLC的欠阻尼振蕩。
實際電路設計中需要對RC參數進行合理選取,才能達到理想的效果。當然如果規格書中有推薦值的話是最好的,可以先按照規格書確定參數,然后根據實際效果再進行微調。但是我們有必要了解參數大小對實際效果的影響,才能使調試不至于盲目進行。
以常見的BUCK電源開關節點處如圖1中紅圈所示,在主開關管SW導通,續流二極管D(或者MOS管)關閉時會出現類似如圖2所示的尖峰振蕩波形。由于實際電路存在寄生電感(比如走線或者器件封裝等原因導致),當SW開關管導通時,等效電路如圖3所示,L1為寄生電感,C1為續流二極管的結電容或者下側MOS管的漏源極寄生電容,R1為走線電阻,值很小。R2和C2為RC Snubber吸收電路,虛線框內的是BUCK電路本身的濾波電感電容和負載。由于濾波電感L2取值較大,并且開關頻率很高,開關管開通時間很短,所以可以近似認為流經L2大電感的電流不變。因此,在沒有RC吸收時的電路就可以等效為串聯RLC零狀態響應,由于電源走線一般都比較粗短,走線電阻較小,就對電容形成了欠阻尼衰減振蕩充電。
圖1
圖2
圖3
在并聯RC吸收電路后,我們可以近似如下分析,來獲悉RC參數大小對振鈴抑制效果的影響:
確定電阻R2。首先,實際電源電路的走線都比較粗短,所以電阻R1較小,我們暫時先忽略不計;然后,先考慮只并聯電阻R2,這樣就形成了如圖4所示的RLC并聯電路(大電感L2的濾波電路形式也是這樣,包括開關電源的最后一級基本都可以等效為此電路),這是控制系統中典型的二階阻尼系統,其品質因素
(串聯RLC的品質因素Q為其倒數,等于),要想振鈴峰值越小,Q值應該也越小,則R2值應該較小。但R2不能太小,假設R2趨向于0,則RC吸收就只有電容C2了,就變成了C1和C2并聯,形成LC串聯振蕩了。因此,R2有一個相對值,TI參考文檔給出的意見是,可以先理論假設,然后再根據實際效果進行微調。
圖4
確定電容C2。定好R2之后,暫時將其忽略不計,只考慮C2,C2和C1并聯最終還是RLC串聯電路,根據其品質因素
可知,理論上電容C2越大,Q值越小,振蕩的抑制效果越好,從另一個角度也很容易理解,電容越大,電壓越不容易發生突變。但是當C2值增大到一定程度之后,對應的容抗值已經很小,其值相對R2來說已經不大,所以影響甚微。另一方面,C2越大,電源的效率會越低,因為電容C2的充放電過程會在電阻R2上形成功率損耗。
知道了吸收電路參數對振蕩抑制效果的影響后,就可以設定一個初值,然后根據實際效果進行調整,直到滿意為止。
TI的文檔有提供一個方法可以參考,現分享步驟如下:
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