如何设计缓冲电路去除DC-DC的开关节点的点次干扰噪声

来源：EMC容冠电磁更新时间：2024-07-21 阅读：

降压转换器IC的开关节点容易产生很多高次谐波噪声，缓冲电路作为除去这些高次谐波噪声的手段之一，本节简述如何使用RC缓冲电路去除开关节点谐波噪声。

01 RC缓冲电路

如图1是一个典型的降压DC-DC的结构简图：

图1 降压开关转换器电路

图2 考虑寄生参数的电路

但实际上如图2所示会存在很多寄生电感LP和寄生电容CP，高边开关在导通和关断时，由于寄生电感蓄积的能量，在输入环路里会产生共振。因为寄生参数的值由于非常小，所以共振频率可以达到数百MHz以上，如图3的开关振铃，会导致EMI特性劣化。

图3 SW开关节点振铃波形

RC缓冲电路是用来去除高次谐波噪声的一种有效方法，如图4所示在开关节点只需追加RC网络就可以实现降低高次谐波噪声。

图4 RC缓冲电路

图5展示了缓冲电路的动作过程：当高边开关导通时，寄生电感蓄积的能量通过缓冲电容CSNB ，作为静电能量存储在电容里。开关节点电位会上升到输入电压VIN，当充电到VIN时，电容储存了 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。这时候缓冲电阻RSNB里会产生与充电能量相同的 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 阻抗损耗。当低边开关导通时，开关节点会降低到GND电位，所以缓冲电容CSNB蓄积的能量会通过缓冲电阻(阻尼电阻)放电。这时候缓冲电阻RSNB会消耗 1/ 2×CSNB×VIN×VIN 能量。

作为这个公式的补充说明，充电后电容电荷Q由CSNB×VIN求得，电源供电功率为 VIN×Q=CSNB×VIN×VIN 。电容蓄积能量和释放能量在充放电周期CR 常数设定足够长的话，只由电容容量和电压决定。充电时电源有一半能量由于电阻变成了焦耳热，剩下的一半作为静电容量储存在电容里。放电时蓄积的一半静电能量由于电阻变成了热能。即使电阻值变化，只会充放电所需时间发生变化，但是这个比例是一定的。

开关一个周期合计会由电阻产生 CSNB×VIN×VIN 损耗，仅开启关断的次数就会产生损耗，所以产生损耗由 CSNB×VIN×VIN×fsw 求得。即使无负载，但是只要有开关动作，缓冲电路就会产生损耗，所以这就成了效率降低的要因。

图5 缓冲电路的动作过程

02 计算RC的值

介绍了消除振铃的缓冲电路RC值由下面两个公式求得：

LP和CP2是寄生参数，有手册不公开该信息，或值太小难以进行参数计算。下述实例按照一边在实机上测量实际的开关波形，一边计算相关参数的方法进行说明。

03 RC值计算步骤

1.使用示波器测得振铃频率fr。

2.在开关节点和GND之间接入电容CP0，求得振铃频率变为1/2时的电容值。

3.电容容值CP0的1/3即是寄生容量CP2。

4.由寄生容量CP2求得寄生电感LP。

5.求得共振的特性阻抗。

6.缓冲电阻RSNB设为和特性阻抗Z同等程度的值:RSNB≥Z

7.缓冲容量CSNB设为寄生容量CP2的1～4倍。

8.求得缓冲电阻RSNB的消耗功率。

04 RC值计算实例

这里一边进行实际测量一边按照RC值计算步骤进行说明。

1. 因为需要使用示波器来测量振铃频率，所以在测试点的开关节点处一定要会使用探头。为了降低探头附加在开关节点处的寄生容量，将探针前端的挂钩尖端除去，使探头直接接触开关节点，因为接地引线会附加电感成分所以去掉。取而代之的是安装接地引线适配器，使接地长度最小化，放大振铃波形，图6测得频率为217.4MHz。

图6 测定振铃频率

图7 追加CP0

2. 如图20-7所示，在开关节点和GND间接入电容CP0，求得振铃频率变为1/2时的电容值。该例将217.4MHz的一半108.7MHz作为目标，实验结果显示当追加680pF电容时，如图8所示，振铃频率约为108.7MHz)。

图8将 CPO设为 680pF 时的振铃频率

3. 振铃共振频率由

决定，因此容量值变为4倍的话，频率降为一半。也就是可以推测寄生容量CP2为附加电容CP0的1/3。CP0为680pF时，寄生容量CP2就如下式所示求得：

4. 寄生容量CP2计算得出后，共振频率公式：

变形可以求得寄生电感LP。振铃频率fr为217.4MHZ，寄生容量CP2为227pF，那么

5. 求共振特性阻抗。为了简化计算，不考虑传输线路损耗，由理想的实际数值计算：

6.为了衰减振铃，有必要将缓冲电阻RSNB设为和共振特性阻抗Z同等大小：RSBB≥Z，这里实例选取3.3Ω。

7. 缓冲容量CSNB设定为寄生容量CP2的1～4 倍。计算结果为227pF、454pF、681pF、908pF，实物容值为220pF、470pF、680pF、1000pF。依次改变这些容量，观测振铃波形。结果如图9至图13所示，可以判断出当容值为680pF时，可以获得无振铃的良好波形。当振铃不消失时，将容量值进一步增加到10倍程度观测波形。但是容量值越大功率损耗就越增加，效率就低下。