buck电路中输入电容太远导致的输出问题

百科   2024-10-21 07:30   上海  

如下图1所示是一个同步降压转换器上下两面的布局。这是一个将 12V 输入降低到 1.2V 输出,且能够承载 8A 电流的降压转换器。可以从图1中左上角看到开关节点(SW)对 GND 的电压波形。可以发现振铃峰值已经到了 17V,这种高频的振荡几乎可以肯定会对 EMI 造成不利的影响。而且该开关电源元件建议的最高操作电压即为 17V,绝对额定值最高为 19V,这个振荡峰值已经很接近让电源芯片因超过电压应力而损坏的点。同时该振荡电压也导致了输出纹波超过 100mV。

图 1

在图2中右边部分用绿色框起来的电容即为输入电容,它不止离集成开关电源芯片的 VIN 和 PGND 有一段距离,甚至还通过过孔连接到另外一面,造成额外的寄生电感。而改进方法也很简单,在原理图不变的前提下,直接在芯片的 VIN 和 PGND 引脚旁边放上输入电容器,如下图2中绿色框中所示。需要注意的是较小的高频旁路电容要越靠近电源芯片才好。

图 2

从测试波形可以发现,当输入电容位置摆放正确后,振荡电压几乎就被消除了,这肯定会对 EMI 特性产生正面影响。开关电压峰值也远低于芯片所建议的操作范围之内。输出电压纹波同样有了极大的改善,峰峰值已经降到 10mV 以下。

图 3

方波的波形是由基本的开关频率加上各个奇次谐波所组成,越快的电压瞬间爬升或下降即表示会包含更高的频率,这就是可能导致振荡和 EMI 的原因。上图3给出了不同容值(尺寸)的陶瓷电容的典型阻抗曲线,电容引起的阻抗会随着频率的增加减小,到某个频率点以上则由寄生电感所带来的阻抗影响占主导。图3中红色虚线表示将不同尺寸的电容器并联时等效的阻抗,随着开关频率的不断增加,其 EMI 的要求也会变得更加严格,高频电容器和其摆放的位置也变得更加重要。

图 4

回过头来看为什么将输入电容仅靠输入引脚就可以减少解决上述问题呢?如上图4所示表示了一个同步降压拓扑中,寄生电感影响最大的地方,以及可以容忍且影响相对小的地方。可以发现输入电容的环路对寄生电感最为敏感,上述案例中最开始的布局由于输入电容离芯片引脚过长,PCB 走线太长导致寄生电感过大,进一步导致高频振荡严重。

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