3种方法帮助你减小同步buck变换器开关节点振荡

今天分享一篇TI的技术文章《减小同步 Buck 变换器开关节点振荡的三种方法》---作者：Antony Fu，Nison Wangmos驱动端的振荡如何消除还可以参考我们之前写过的一篇干货文章：mos管栅极电阻要不要加，选多大值？在同步 Buck 变换器中，MOSFET 开通与关断瞬间，由于 POL 自身寄生电感和电容以及 PCB 走线的寄生电感和电容参数的原因开关节点会产生高频振荡。过高的振荡会增加损耗、加 重 EMI 干扰，POL 负电流保护，甚至击穿芯片影响系统的稳定工作。本文研究了开关节点振荡 产生的机制，并提出了三种方法对其进行抑制。实验结果表明，三种方法均能产生明显的效 果，实际应用中应权衡做出选择。
1、开关节点振荡产生机制理想的同步 Buck 变换器如图 1 所示，但是在实际的同步 Buck 变换器中需要将寄生参数考 虑在内，如图 2 所示[1]。D1 和 D2 分别为 S1 和 S2 的体二极管，C1 和 C2 分别为 S1 和 S2 的漏源 电容，Rbus和 Lbus为传输线上的寄生电阻和寄生电感，Rbulk和 Lbulk为大电容（一般为电解电容或 大容值的陶瓷电容）上的寄生电阻和寄生电感，Rsm 和 Lsm 为小电容（一般为陶瓷电容）上的寄 生电阻和寄生电感，Rboard、Lboard、Rloop和 Lloop为 layout 引入的寄生电阻和寄生电感，RDCR为电 感的直流电阻。开关节点的波形如图 3 所示，在 MOSFET 开通关断的瞬间，可以看到明显的振 荡。为了分析这个现象，以 S2 关断、S1 开通为例，研究开关节点振荡的产生机制。

图 1 理想的同步 Buck 变换器

图 2 实际的同步 Buck 变换器

图 3 开关节点波形在此过程中，将电感等效为一个恒流源。S2 关断后，由于死区的存在，S1 还未开通，此时 电感电流完全从 D2 中流过，如图 4 所示。S1 开通后，电感电流完全从 S1 中流过，如图 5 所 示。此时，S1 可以等效为一个低阻值的电阻，C1 通过 S1 放电，C2 进行充电。由于 Lboard>>Lloop 且 Lbulk>>Lsm，C2 的充电能量主要由 Csm来提供。因此，C2 的充电回路可以简化为图 6，Ron为 S1 的导通电阻。图 6 可以等效为图 7 的 RLC 振荡电路，其中

因此，在 Csm对 C2 充电的过程中，C2 两端电压必然会产生振荡，并且寄生电感越大、开关 速度越快、负载越重，振荡就越剧烈。

图 4 S2 关断后的电流路径

图 5 S1 开通后的电流路径

图 6 C2 的充电回路

图 7 RLC 振荡电路

2、输入电容 Csm的选择 对于输入电容 Csm来说，陶瓷电容是最好的选择，因为其 ESR 和 ESL 都较小。0402 的封装 较好，因为封装越小，ESL 越小，瞬态响应越快。并且 0402 封装的电容在 layout 的时候可以离 芯片的 VIN 和 GND 管脚尽可能近，以减小 LLoop和 RLoop。考虑到高频特性和温度特性，电容材 质建议选择 C0G 或 NPO，其次是 X7R 或 X5R。最重要的一点是选择电容的容值，本文给出一个经验方法，即选择一个在振荡频率下等效阻 抗最小的电容。电容的频率特性如图 8 所示[2]，在不同的频率下，其等效阻抗不同。下面对该方 法进行验证。实验平台选用 TI 的同步 Buck 评估版 TPS549D22EVM[3]，如图 9 所示，输入电压 为 12V，输出电压为 1V。其输入电容 Csm为 C10，首先将 C10 取下，测量开关节点的波形，发 现振荡频率约为 125MHz。将不同型号的电容焊接到 C10 的位置分别测试开关节点的波形，测 试结果如表 1。可以发现，在选择 4700pF 或 10000pF 的电容时，其在 125MHz 时的等效阻抗最 小，并且开关节点的振荡幅度也是最小的。因此，该方法的准确性得以验证。在输入电压为 12V，输出为 1V/20A 时测试，图 10 为不加 C10 与 C10=10000pF 时的开关节点波形对比，振荡 峰值减小了近 2V。

图 8 陶瓷电容的频率特性

图 9 TPS549D22EVM

图 10 不同 C10 对应的开关节点波形因此，将上述选择电容的过程总结如下：

Csm 的位置非常关键，要保证其到芯片 VIN 及 GND 引脚的走线尽量短，尽量粗，否则起不 到抑制振荡的作用。图 11 列举了 Csm layout 的三种情况，CASE1 是最优的 layout 方式。

图 11 不同 Layout 方式产生的寄生电感

3、RC snubber 缓冲电路的设计

为减小开关节点振荡，还可以采用 RC 缓冲电路，如图 12 所示。

图 12 采用 RC 缓冲电路的同步 Buck 变换器

同样，实验平台选用图 9 中的同步 Buck 评估版 TPS549D22EVM，没有 RC 缓冲电路时测量 开关节点的振荡波形，发现振荡频率为 125MHz。通过反复尝试，CADD为 2.2nF 时，振荡频率减 半，大约为 57MHz。因此通过以上步骤可以计算出推荐值为 RSNB=1.78Ω, CSNB=2.2nF。

图 13 CSNB充放电路径

图 14 开关节点波形在以上推荐值附近选择几组值进行对比，在输入电压为 12V，输出电压为 1V，输出电流为 20A 时，得出的测试结果如表 2 和表 3 所示，表中 Vp 为振荡电压峰值，ΔPdiss 为缓冲电路的损 耗，Δη 为缓冲电路导致的效率降低。

表 2 和表 3 可以绘制为图 15 和图 16，通过比较可以得出以下结论：

图 15 不同 C 值时振荡电压峰值与效率降低

图 16 不同 R 值时振荡电压峰值与效率降低开关频率为 650kHz 时，缓冲电阻 RSNB上的损耗为根据表 4，RSNB选择 1206 封装的贴片电阻比较合适。

4、Rboot的选取同步 Buck 变换器一般采用自举电路供电，如图 17 所示[5]。开关节点上升沿的振荡与上管 开通关系密切，上管开通时的驱动电流路径如图 17 所示。因此，可以通过增大 Rboot来减缓上管 开通的速度，从而抑制开关节点的振荡。同样，实验平台选用图 9 中的同步 Buck 评估版 TPS549D22EVM，在输入电压为 12V，输出 1V/20A 时，改变 Rboot的值，得到测试结果如图 19 和表 5，增大 Rboot 能够明显抑制开关节点振荡，但是开关损耗会明显增大，在实际应用中应权 衡选取 Rboot的值。下面估计 Rboot上的损耗，以 TPS549D22 为例，其内部集成的 MOS 为 16V/40A，因此以规 格类似的 CSD16401Q5(25V/38A)作为参考，其栅极电荷 Qg为 21nC, 因此，可以认为 TPS549D22 内部集成 MOS 的 Qg也是 21nC，驱动电压 VBP为 5.07V。

图 17 上管开通时驱动电流路径

图 18 下管开通时 Cboot充电路径

图19 不同 Rboot值时振荡电压峰值与效率降低