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DC/DC

配置DC/DC轉換器的機板電路

開關節點的振鈴

在探討DC/DC轉換器的PCB板佈局之前,需要瞭解實際的印刷電路板中存在寄生電容和寄生電感。它們的影響之大超出想像,即使電路沒錯,因佈局而產生無法按預期工作的情況,往往是因為對它們的考慮不足。本次就“開關節點的振鈴”來驗證其主要原因。在設計實際的佈線圖形時,對寄生成分等的處理無處不在。

本章中還就以下項目進行說明,要理解各專案需要參考前後相對專案,因此下面列出包括計畫在內的項目一覽。

實際的電路模型和開關節點的振鈴

下圖表示同步整流型降壓型DC/DC轉換器電路的寄生電容和寄生電感。即藍色的C和L。在實際的電路中,存在印刷電路板的寄生電容和寄生電感,開關ON時及OFF時產生如示意圖所示的高頻振鈴。

印刷佈線的電感值每1mm約1nH左右。也就是說,如果佈線過長(多餘佈線),佈線電感值將增高。此外,開關用MOSFET的上升(tr)及下降(tf)時間一般為數ns。因寄生成分而產生的電壓和電流可通過以下公式計算。

另外,10nH約10mm。看似很小的距離,但電流越大產生的電壓也越大。

此外,由公式可知,MOSFET的tr和tf越短,電流和電壓都越大。tr和tf越快速,暫態損耗越低,可提高效率,但更容易產生振鈴。

振鈴的頻段可按 f=1/小時 來計算。假設tr和tf為5ns,則週期可認為是10ns,頻段為100MHz,一般的開關頻率多為500kHz~1MHz,因此產生其100~200倍的高頻。

接下來介紹因本電路模型的寄生成分產生怎樣的電流。首先是高邊MOSFET導通時的示意圖。寄生電容C2被充電,寄生電感L1~L5積蓄能量,當開關節點的電壓等於VIN時,積蓄於L1~L5的能量與C2產生諧振,發生較大振鈴。

其次,高邊MOSFET關斷時,同樣寄生電容C2被充電,寄生電感L1~L5積蓄能量,當開關節點的電壓幾乎接近GND水平時,積蓄於L1~L5的能量此次與C1產生諧振,發生較大振鈴。寄生電感中積蓄的能量和諧振頻率可按右下公式進行計算。

電感L4由CBYPASS的特性決定。另外,L3和L5受PCB板佈局的影響很大。本電路是開關電晶體外接型的電路示例,使用開關電晶體內建型IC時,L1、L2、C2取決於其IC,為固定值,與PCB板佈局無關。

綜上所述,實際的印刷電路板中存在電路圖中沒有的成分,因此,比如開關節點中如果佈局不當,會隨著開關而產生較大振鈴,可能導致無法正常工作或雜訊較多等問題。現在應該明白關於PCB板佈局經常提到的“佈線要短”的原因了。後續將介紹具體的配置和佈線方法。

重點:

・實際的印刷電路板中,存在電路圖中沒有的寄生電容和寄生電感。

・寄生成分可能引發振鈴等問題。

・PCB板布局要記住這些要點,爭取最佳布局。


週邊元件的選擇和PCB佈局