DC-DC开关电源的开关波形产生高频振荡的原因

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上一期我们分析了DC-DC开关电源的静态纹波产生的原因、动态响应时产生的过冲和下冲，并提供一些改善方法：技术分享 | DCDC开关电源实战经验之静态纹波及动态响应调试方法

这一期为大家分享的是：DC-DC开关电源的开关波形产生高频振荡的原因，以及优化方案。

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- DC-DC开关波形-

开关波形，顾名思义就是开关节点的波形，是上下管交替导通产生的周期性脉冲波，也是考量电源设计可靠性的重要指标：

为何要测量开关波形？从开关波形我们能得到什么信息呢？下面为大家介绍一下测量开关波形的目的：

01

判断上下管是否有直通的风险

MOS驱动信号和SW波形如下图所示：

为了避免上管和下管同时导通，MOS驱动在上下管切换时加上死区时间（dead time），此时上管和下管同时关断，电流从下管的体二极管（body diode）流过，因此可以看到SW有一个小的负电压（体二极管导通压降）。

通常情况下，由于存在死区时间，不会有同时导通的风险，但是有的MOS开关速度较慢，在没有完全关断时，另外一个MOS就开始导通，从而导致出现直通，这种情况需要更换MOS搭配。

另外，理想状态下，开关波形是标准的脉冲波，但是由于PCB走线和元器件存在各种寄生参数，实际的开关波形一般会存在一些振荡，如下图所示：

在上管导通时可能会导致下管驱动信号出现一个小尖刺，如果电压足够高，并且持续时间较长，就会导致下管导通，出现直通。

02

判断是否超过器件耐压

电源芯片或者MOS都有自身的耐压，超过耐压可能会导致器件失效，因此需要通过量测开关波形来确认是否有超过耐压的风险。

03

判断系统稳定性

通过量测开关波形的抖动，可以确认系统的稳定性，抖动越小则越稳定（此方法需要在稳态负载下测试）。

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- 开关波形高频振荡-

通过一些实测波形我们可以看到，在上管导通或者关断时，开关波形都会产生较明显的振荡，那么这些振荡产生的原因是什么呢？又会造成什么影响？下面将为大家详细介绍一下。

在这之前，我们先回顾一下开关电源的工作原理，如下图所示：

可以看到MOS在导通和关断时，MOS的电流在非常短的时间内出现剧烈变化（从0到电感电流），这就导致了很大的电流变化率di/dt。

并且，由于下管存在体二极管，在上管导通时会存在反向恢复电流，这就导致了上管的电流在导通瞬间出现一个非常大的电流尖峰，这就形成了更大的电流变化率di/dt。

前面有提到，由于PCB走线和元器件存在寄生电感和寄生电容，在如此剧烈的电流变化条件下，会形成明显的LC振荡（同时有寄生电阻，实际为RLC阻尼振荡）。

可以看到，寄生电感主要有PCB走线引起的Llkg1和Llkg2，以及MOS内部打线引起的Llkg3和Llkg4。这些寄生电感跟MOS本身的寄生电容形成LC谐振电路，当路径上的电流发生剧烈跳变时，发生振荡，并且形成很高的电压尖峰。

通过仿真对比，我们看到，总的寄生电感值Llkg_total影响正的电压尖峰，增大Llkg_total，正向电压尖峰也会变大。

而下管到GND的路径上的寄生电感对负压影响比较大，增大这个寄生电感，负压也会变大。

产生振荡的原因我们已经了解了，那这个振荡会对电源系统造成什么影响呢？主要有如下几点：

振荡形成的正向尖峰电压和负压，可能会超过器件耐压，造成器件损坏；

振荡波形干扰MOS驱动信号，可能会导致上下管直通的风险

高频振荡造成强烈的EMI，影响其他器件工作

因此，为了系统能更稳定的工作，我们需要尽量减小开关波形的高频振荡。

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- 如何改善高频振荡-

从前面的分析，我们可以看到，振荡的主要原因是寄生电感和快速的电流变化，因此改善方案也主要从这几个方面入手：

01

减小寄生电感

这个可以分为两个方面：PCB走线，MOS内部封装。

对于PCB走线，需要尽量减小输入电容VIN→上管→下管→GND的环路，并且下管的GND尽量多打过孔，以减小寄生电感。

而对于MOS部分，则尽量选用集成方案，比如DrMOS，converter等。single die的DrMOS和converter，由于基本没有打线，寄生电感比multi die的更低。

晶丰明源提供的功率级方案（DrMOS，POL等）都是采用singledie的设计，因此可以获得更好的性能。

02

降低MOS导通和关断的速度

另外一个减小振荡的方法，则是通过降低MOS的开关速度，从而减小电流变化率（涉及到MOS的开关过程，此处不作详细描述，如有兴趣可以持续关注晶丰明源公众号）。

通常我们的原理图上都会增加BOOT电阻和驱动电阻，通过增大这两个电阻的阻值，可以有效降低MOS的开关速度。

其中，增大BOOT电阻只对上管导通的速度有影响，对关断的速度没有影响；增大驱动电阻RUG，则同时影响上管的导通和关断速度，实际对比如下：

03

增加RC吸收电路

第三种方法，则是在SW增加对地的RC电路，吸收振荡能量。不过需要注意的是，RC接地尽量单独接到公共的地平面，避免下管接地引起的寄生电感影响效果。

RC的参数，电阻一般选择1~10Ω，电容在nF级，需要经过实测确认。

04

下管并联肖特基二极管

除了降低MOS开关速度，还有个办法可以减小电流尖峰：在下管并联一颗肖特基二极管。肖特基二极管的反向恢复特性比普通二极管好（一般MOS内部寄生的二极管是普通二极管），因此可以有效降低反向恢复电流。同理，肖特基二极管的地也尽量单独接到功率地。

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- 总结-

降低开关波形高频振荡的方法总结如下：

优化PCB布局和走线，尽可能减小输入电容和MOS的电流环路

选用集成MOS方案，最好是single die

增加MOS驱动电阻和BOOT电阻

增加RC snubber

下管并联肖特基二极管

其中增加驱动电阻和snubber会造成效率下降，需要取舍；下管并联肖特基二极管还可以提高效率，但是会增加成本和PCB空间，因此最好是layout优化和采用single die集成方案。

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