開關電源模塊之振鈴總結

開關電源模塊總結

前一段時間做了一次開關電源的模塊MP38892，沒有想那么多，結果一不小心造成了連燒7個片子，經過一番查找，以及以后的幾次試驗，終于找到了部分原因，不過最近也比較忙，拖到現在才有空總結一下對開關電源的認識。

所謂開關電源我個人認為就類似于PWM調壓，通過控制高壓側和低壓側MOSFET的導通頻率以及占空比來調節輸出電壓，再通過RLC穩壓濾波即可得到所需的電壓，故可以是降壓型也可以是升壓型，但是需注意開關電壓的振鈴；而線性穩壓器的工作原理就是輸出恒定電壓，將剩余的輸入輸出電壓差與輸出電流的乘積都變成熱損耗。

最近又做了兩款開關電源MP38892和LM3150，他們的要求分別是5V3A輸出和5V10A輸出，都是20V輸入，當然輸入電壓和輸出電壓都是可調的。由于問題多集中在MP38892上，故以MP38892來進行總結。

說這個之前應該先要理解一個知識--振鈴。如下圖（功率部分器件的定義）是一個典型同步buck 變換器的原理圖。隨著功率器件性能的提升，控制管能夠以大于10kv/us 的速度進行電壓切換。然而，開關速度越快，開關噪聲則越大。特別是當控制管打開而同步管關閉時，環路電感，環路電阻以及同步管的輸出電容組成一個RLC 回路，并會在諧振頻率下震蕩。震蕩會導致電壓的過沖以及在開關節點上的振鈴。

功率部分器件的定義

為了更好的理解振鈴的原理，將對開關瞬態過程做一個詳細的分析。假設控制管關閉，同步管打開，所有的電壓已經穩定，電感電流IL 開始降低（以特定的斜率），見下圖（開關節點的波形）的階段1。階段2，同步管開始關閉，控制管打開前會有一段死區時間來防止直通。在這段死區時間內，電感電流會從同步管的體二極管中流過，導致開關節點的電壓有一個小的下降。階段3 以控制管的打開開始，隨著控制管上流過電流的增加，導致同步管體二極管逐漸關斷。體二極管的反向電流以及同步管電容電壓的充電會造成流過控制管電流的過沖。

而這個電流過沖則會被同步管的輸出電容所吸收，導致開關節點上電壓的過沖。同步管的電容，寄生電感（封裝電感，較差的布局，等等）組成了諧振網絡，導致了開關管上的振鈴（見階段3）。

1. 由于振鈴會在開關節點上疊加，所以有兩方面要去考慮：

a. 電壓裕度

2. 振鈴第一次尖峰電壓的幅值與MOSFET 擊穿電壓的比例

b. 電磁干擾/電磁兼容

因為振鈴產生的傳導和輻射噪聲

開關節點的波形

電磁干擾/電磁兼容問題比較主觀且非常依賴于整體系統的設計。故不在此敘述，主要側重于電壓裕度的分析。

根據MP38892的DataSheets中關于PCB布線及布局圖有以下的提示說明（PCB Layout Guide）：

PCB layout is very important to achieve stable operation. Please follow these guidelines and take Figure3 for references.

1) Keep the path of switching current short and minimize the loop area formed by Input cap, high-side and low-side MOSFETs.

2) Keep the connection of low-side MOSFET between SW pin and input power ground as short and wide as possible.

3) Ensure all feedback connections are short and direct. Place the feedback resistors and compensation components as close to the chip as possible.

4) Route SW away from sensitive analog areas such as FB.

5) Connect IN, SW, and especially GND respectively to a large copper area to cool the chip to improve thermal performance and long-term reliability.

我英語不好，所以使用大谷歌的翻譯以及自己的理解給出一下的中文翻譯：

1）保證開關電流的路徑短，并最大限度地減少輸入電容和MOSFET的高側跟MOSFET低側所形成的環路面積。

2）保持低邊MOSFET的 SW引腳和輸入電源地短而寬越好之間的連接。

3）確保所有的反饋連線短而直。盡可能將反饋電阻和補償元件靠近芯片。

4）敏感的模擬路線應遠離SW區域，如FB。

5）IN、SW、GND應大面積敷銅，特別是GND,便于芯片的散熱，以提高散熱性能和長期可靠性。

如下圖是手冊上給的布局圖，這個圖上要注意的也有以下幾個點‘當然這些知識我個人的一點總結，歡迎來指正錯誤。

1. 如圖中所標的1區域是SW的敷銅區，這個面積比較大而寬，但也不是盡量的的寬，如右側的電感的那段只是靠近的一點相連，還有就是該信號與地及輸入等其他信號線之間的間距要相對比較大，以防止電磁干擾；

2. 如圖中2的位置是頂層地與地層地的連接過孔，該處主要體現了模擬信號中的大電流地與小電流地的單點相連，即單點接地，這樣的好處是不會形成地環路，減小電磁干擾；

3. 如圖中3所示，結合背面的布線可以看到該信號是輸電電壓的反饋信號線，該信號線應靠近濾波電容的位置，這樣減小反饋電壓的紋波。

4. 如圖中4所示芯片的熱焊盤以及頂部有大面積的敷銅以及過孔，這樣方便芯片的散熱和空氣流通；

5. 圖中5該引腳是MOSFET的門控制信號，他走底層，遠離了大電流區域，以防止被干擾；

6. 圖中6區域是大電流區域，該區域是輸入地和MOSFET的低側，該區域應將盡可能的短而寬，來降低紋波。

如下圖1所示為V1-0版本的PCB電路:

圖1

下圖2以及圖3是在V1-0版本中測試的過沖電壓的峰峰值為35.2V，靜態電流為54mA,這一版本中有以下問題需要調整布局改正。

1電感輸出距離地較遠；

2大電流地與小電流地沒有隔離，沒有采用單點接地。

3靜態電流太大。

圖2

圖3

如下圖4是V1-1版本的電路圖，該版本調整了電感的輸出方向，采用了單點接地的方式，如圖4所示中圖中標記為1的地方是單間接地的孔，圖片中2和3的位置在背面是沒有跟地層的敷銅相連接。如圖5和圖6所示的是本次過沖電壓的峰峰值為35.9V，靜態電流為44mA,這個靜態電流仍然很大，猜想所選用的MOSFET型號為AOD4184A的片子有問題，更改為新買的同型號的MOSFET，如圖7和8所示為更改后的過沖電壓的峰峰值為32V，靜態電流為37mA,本版本猜想有以下問題：

1 如如圖中4是MOSFET的GND跟圖中5的位置輸入GND的距離太遠，才引起過充電壓的峰峰值過大，所以要調整；

2 靜態電流過大的有可能是有MOSFET引起的，所以想修改為irf7821，只不過它的最高電壓為30V。