开关电源模块之振铃总结

开关电源模块总结

前一段时间做了一次开关电源的模块MP38892，没有想那么多，结果一不小心造成了连烧7个片子，经过一番查找，以及以后的几次试验，终于找到了部分原因，不过最近也比较忙，拖到现在才有空总结一下对开关电源的认识。

所谓开关电源我个人认为就类似于PWM调压，通过控制高压侧和低压侧MOSFET的导通频率以及占空比来调节输出电压，再通过RLC稳压滤波即可得到所需的电压，故可以是降压型也可以是升压型，但是需注意开关电压的振铃；而线性稳压器的工作原理就是输出恒定电压，将剩余的输入输出电压差与输出电流的乘积都变成热损耗。

最近又做了两款开关电源MP38892和LM3150，他们的要求分别是5V3A输出和5V10A输出，都是20V输入，当然输入电压和输出电压都是可调的。由于问题多集中在MP38892上，故以MP38892来进行总结。

说这个之前应该先要理解一个知识--振铃。如下图（功率部分器件的定义）是一个典型同步buck 变换器的原理图。随着功率器件性能的提升，控制管能够以大于10kv/us 的速度进行电压切换。然而，开关速度越快，开关噪声则越大。特别是当控制管打开而同步管关闭时，环路电感，环路电阻以及同步管的输出电容组成一个RLC 回路，并会在谐振频率下震荡。震荡会导致电压的过冲以及在开关节点上的振铃。

功率部分器件的定义

为了更好的理解振铃的原理，将对开关瞬态过程做一个详细的分析。假设控制管关闭，同步管打开，所有的电压已经稳定，电感电流IL 开始降低（以特定的斜率），见下图（开关节点的波形）的阶段1。阶段2，同步管开始关闭，控制管打开前会有一段死区时间来防止直通。在这段死区时间内，电感电流会从同步管的体二极管中流过，导致开关节点的电压有一个小的下降。阶段3 以控制管的打开开始，随着控制管上流过电流的增加，导致同步管体二极管逐渐关断。体二极管的反向电流以及同步管电容电压的充电会造成流过控制管电流的过冲。

而这个电流过冲则会被同步管的输出电容所吸收，导致开关节点上电压的过冲。同步管的电容，寄生电感（封装电感，较差的布局，等等）组成了谐振网络，导致了开关管上的振铃（见阶段3）。

1. 由于振铃会在开关节点上叠加，所以有两方面要去考虑：

a. 电压裕度

2. 振铃第一次尖峰电压的幅值与MOSFET 击穿电压的比例

b. 电磁干扰/电磁兼容

因为振铃产生的传导和辐射噪声

开关节点的波形

电磁干扰/电磁兼容问题比较主观且非常依赖于整体系统的设计。故不在此叙述，主要侧重于电压裕度的分析。

根据MP38892的DataSheets中关于PCB布线及布局图有以下的提示说明（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.

我英语不好，所以使用大谷歌的翻译以及自己的理解给出一下的中文翻译：

1）保证开关电流的路径短，并最大限度地减少输入电容和MOSFET的高侧跟MOSFET低侧所形成的环路面积。

2）保持低边MOSFET的 SW引脚和输入电源地短而宽越好之间的连接。

3）确保所有的反馈连线短而直。尽可能将反馈电阻和补偿元件靠近芯片。

4）敏感的模拟路线应远离SW区域，如FB。

5）IN、SW、GND应大面积敷铜，特别是GND,便于芯片的散热，以提高散热性能和长期可靠性。

如下图是手册上给的布局图，这个图上要注意的也有以下几个点‘当然这些知识我个人的一点总结，欢迎来指正错误。

1. 如图中所标的1区域是SW的敷铜区，这个面积比较大而宽，但也不是尽量的的宽，如右侧的电感的那段只是靠近的一点相连，还有就是该信号与地及输入等其他信号线之间的间距要相对比较大，以防止电磁干扰；

2. 如图中2的位置是顶层地与地层地的连接过孔，该处主要体现了模拟信号中的大电流地与小电流地的单点相连，即单点接地，这样的好处是不会形成地环路，减小电磁干扰；

3. 如图中3所示，结合背面的布线可以看到该信号是输电电压的反馈信号线，该信号线应靠近滤波电容的位置，这样减小反馈电压的纹波。

4. 如图中4所示芯片的热焊盘以及顶部有大面积的敷铜以及过孔，这样方便芯片的散热和空气流通；

5. 图中5该引脚是MOSFET的门控制信号，他走底层，远离了大电流区域，以防止被干扰；

6. 图中6区域是大电流区域，该区域是输入地和MOSFET的低侧，该区域应将尽可能的短而宽，来降低纹波。

如下图1所示为V1-0版本的PCB电路:

图1

下图2以及图3是在V1-0版本中测试的过冲电压的峰峰值为35.2V，静态电流为54mA,这一版本中有以下问题需要调整布局改正。

1电感输出距离地较远；

2大电流地与小电流地没有隔离，没有采用单点接地。

3静态电流太大。

图2

图3

如下图4是V1-1版本的电路图，该版本调整了电感的输出方向，采用了单点接地的方式，如图4所示中图中标记为1的地方是单间接地的孔，图片中2和3的位置在背面是没有跟地层的敷铜相连接。如图5和图6所示的是本次过冲电压的峰峰值为35.9V，静态电流为44mA,这个静态电流仍然很大，猜想所选用的MOSFET型号为AOD4184A的片子有问题，更改为新买的同型号的MOSFET，如图7和8所示为更改后的过冲电压的峰峰值为32V，静态电流为37mA,本版本猜想有以下问题：

1 如如图中4是MOSFET的GND跟图中5的位置输入GND的距离太远，才引起过充电压的峰峰值过大，所以要调整；

2 静态电流过大的有可能是有MOSFET引起的，所以想修改为irf7821，只不过它的最高电压为30V。