电源技巧＃7：通过更好的去耦减少开关节点振铃

半导体

高电流，负载点（POL）降压转换器利用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）为输出滤波器提供脉冲宽度调制（PWM）脉冲序列。降压转换器功率级元件的布局将直接影响开关节点上的振铃幅度，如果控制不当，则会对电源发射，效率和元件应力产生不利影响。

在Analog Design Journal的文章“ 控制同步降压转换器中的开关节点振铃”中，Robert Taylor和我研究了几种减少开关节点振铃的方法，通过减慢高端MOSFET的开关或通过缓冲器抑制开关波形电路。这两种威廉希尔官方网站都会在降压转换器中引起额外的损耗。在这里，我将介绍其他威廉希尔官方网站，以降低交换节点振铃，而不会降低效率。

首先，了解开关节点振铃的原因非常重要。为了防止降压转换器中的直通电流，降压控制器集成电路（IC）在一个MOSFET关断和互补MOSFET导通之间提供死区时间。在此死区时间内，当MOSFET均未导通且电感电流为正时，电感电流将通过低端MOSFET体二极管整流。从体二极管导通到高侧开关导通的转变导致体二极管从导通到非导通状态的强制换向，并且随后产生大的二极管反向恢复电流。

图1显示了一个降压转换器，在输入电容，MOSFET封装和电路布局中具有额外的寄生电感。通过体二极管D1的反向恢复电流随着控制FET的更快切换速度和温度而增加，在强制换向期间激励寄生电感E =½* LI 2。该能量在开关节点上的寄生电感和电容之间产生谐振回路。最终，这表现为交换节点处的过冲和振铃。

图1具有寄生效应的降压转换器。

电路设计人员应尽一切努力将输入电容，高侧FET，低侧FET和接地返回输入电容之间的高电流路径中的电感降至最低。图2至图7显示了输入电容器位置的重要性。被测电源是一个12V输入，5V输出，5W降压转换器。将输入电压去耦电容放置在远离MOSFET的位置（如图2所示）而不是靠近IC（如图3所示）会产生较大的环路电感。因此，开关节点振铃增加了12％，输出纹波增加了100％以上，峰值电磁干扰（EMI）增加了5dBμV。

图2具有较大去耦区域的降压转换器。

图3具有小去耦区域的降压转换器。

图4具有较大去耦区域的降压转换器开关节点。

图5具有小去耦区域的降压转换器开关节点。

图6具有大去耦区域的EMI峰值。

图7具有小去耦区域的EMI峰值。

表1大小解耦区域的比较

对照	SW最大值（V）	Vout p2p（mV）	EMI峰值（dBμV）
面积较大	18.1	140	50
面积较小	16.2	64	45

输入电容器放置不仅重要，而且电容器的类型和尺寸都起着重要作用。陶瓷电容器因其低等效串联电阻（ESR）和处理脉动，高均方根（RMS）电流的能力而广泛用于降压转换器的输入去耦。聚合物或铝电容器可以支持陶瓷电压，以便在输入总线上保持电压，但不依赖它们来支持负载电流和电感纹波电流。这些电容具有更高的ESR和等效串联电感（ESL），这限制了电流处理。SPICE仿真或德州仪器的Power Stage Designer 4.0可以计算不同类型输入电容之间的电流共享。

您还需要考虑陶瓷去耦电容的封装尺寸。陶瓷电容器的ESL与器件长度成正比。例如，图8显示了具有两种不同封装尺寸的电容器的寄生元件，0201和0603.0201的长度为0.6mm，ESL为239pH; 0603封装电容的长度为1.6mm，ESL为494pH。

图8 0201和0603 1500pF电容器的寄生元件。

即使在1nH以下，这些电容器中的ESL值也会对降压转换器中的振铃产生影响。图9和图10显示了同一个降压转换器电路的开关节点振铃，带有两个1500pF 0201电容和两个1500pF 0603去耦电容。0201s的峰值振铃为22.8V，而0603s的峰值振铃为25V。

图9开关节点振铃，0201输入去耦。

图10开关节点振铃，0603输入去耦。

降压转换器对输入电容，半桥MOSFET和输入电容返回路径之间的高电流路径中的寄生电感非常敏感。您可以通过将输入去耦电容尽可能靠近FET的漏极 - 源极并使用适当大小的陶瓷电容来最小化这些电感。良好的布局和元件选择将使您能够最大限度地减少开关节点振铃并提供更好的EMI性能。