來鵬飛，陳 峰，曹發(fā)兵，李 良

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

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Buck型DC-DC電路振鈴現(xiàn)象的抑制

來鵬飛，陳 峰，曹發(fā)兵，李 良

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

摘 要：Buck型DC-DC電路在負載較大時，外接電感電流在一個調(diào)制周期內(nèi)會出現(xiàn)減小到零的情況。為了防止電路進入強制連續(xù)導通模式（FCCM），電感電流反向，導致負載電容通過續(xù)流NMOS管放電，降低DC-DC的轉換效率，需要設計保護電路在電感電流減小到零時檢測電感前端電壓，當電壓大于零時強制關斷NMOS管，使電路工作于斷續(xù)導通模式（DCM）。由于開關管寄生電容與外接電感LC形成振蕩回路，電感殘余電流產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。為了抑制振鈴現(xiàn)象，通過控制電路在LXC與地之間接入阻尼電阻，減小電容的等效并聯(lián)電阻，加快振蕩衰減。

關鍵詞：Buck型變換器；DC-DC電路；抗振鈴；阻尼電阻

1　引言

Buck型DC-DC變換器在寬泛的工作電壓內(nèi)具有很高的轉換效率，使之成為便攜式電子設備優(yōu)先選擇的電源管理電路。目前集成DC-DC電路為了提高效率多采用開關型調(diào)整器，工作過程中伴隨較高頻率的開關切換，期間輸出高頻噪聲容易對系統(tǒng)中RF等噪聲敏感電路的正常工作產(chǎn)生干擾，尤其當DC-DC電路負載電流較小時，電路進入DCM狀態(tài)，由外接儲能電感和電路內(nèi)部開關功率管寄生電容形成的諧振回路會產(chǎn)生明顯的振蕩，需要采取有效的措施抑制振鈴現(xiàn)象。

本文首先介紹了Buck電路的工作原理，然后分析了振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及Buck電路中抗振鈴電路設計的困難，最后提出一種采用阻尼電阻抑制振鈴現(xiàn)象的方法。

2　振鈴現(xiàn)象的形成

2.1Buck型DC-DC工作原理

Buck型DC-DC變換器拓撲結構如圖 1所示。儲能電感L在控制開關K導通時將流過的電流iL轉換成磁能存儲，同時防止輸入電壓Ui直接作用于負載電阻RL，產(chǎn)生大的電流，對負載產(chǎn)生沖擊，然后在控制開關關斷時把磁能轉化成電能為負載提供能量；儲能電容CL在開關導通時將流過電感的部分電流以電荷形式存儲，然后在開關關斷時通過負載放電，提供能量；續(xù)流二極管D在控制開關關斷時為儲能電感釋放能量提供電流通路。在控制開關關斷時，儲能電感將產(chǎn)生反電動勢使電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載電阻，再經(jīng)過續(xù)流二極管后回到反電動勢eL的負極。

圖1　Buck型DC-DC電路拓撲結構

Buck型DC-DC電路的具體組成如圖2所示。拓撲結構中的開關K及續(xù)流二極管D分別采用PMOS管MP和NMOS管MN實現(xiàn)。D1與D2是MOS管襯底寄生二極管，CP是MOS管漏端的寄生電容。由于開關管MN和MP面積較大，所以CP值往往也很大。Buck電路穩(wěn)定工作時，電感電流iL的有效值等于流過負載的電流, 下面按照電路的3種工作模式進行分析[1]。

圖2　Buck型DC-DC具體電路

2.2CCM狀態(tài)

當負載電流較大(負載較小)時，電感電流iL在一個調(diào)制周期內(nèi)不會下降到零，電流方向也不會發(fā)生變化，此時電路進入連續(xù)導通模式（CCM）[2]，如圖3 （a）所示。調(diào)制周期包括2個階段。在t1階段，P管導通，N管關斷，電感兩端電壓VL=VIN-VO＞0，電感電流iL連續(xù)上升；在t2階段，P管關斷，N管導通，電感兩端電壓VL=-VO＜0，電感電流連續(xù)減小。在t1階段，寄生電容CP通過MN短路到地；在t2階段，CP通過MP與VIN構成低阻回路。整個周期交流等效電路與t2階段的直流通路相同，如圖 3（c）t2所示。

圖3　Buck電路工作模式及對應的等效電路

圖 3（d）t2中由RL、CL、L構成的回路中[3]：

根據(jù)KCL定律：

將以上3式帶入（4）式計算得：

（5）式的特征方程為：

特征根為：

根據(jù)電感、電容、電阻的取值不同，RLC回路會有3種阻尼狀態(tài)：

（1）當(1/2RLCL)2＞1/LCL時，為過阻尼狀態(tài)；

（2）當(1/2RLCL)2=1/LCL，為臨界阻尼狀態(tài)；

（3）當(1/2RLCL)2＜1/LCL，為欠阻尼狀態(tài)，LXC處出現(xiàn)衰減振蕩，頻率為：

通過上面的公式可以得出，振蕩會隨著RL的減小而加快，當RL足夠小時，Buck電路進入過阻尼狀態(tài)，LXC處不會振蕩。通常Buck電路外圍負載電容較大，欠阻尼振蕩的頻率只有幾十kHz，遠小于電路內(nèi)部開關調(diào)制頻率（MHz級），如果負載電阻較小，振蕩會很快消失，在調(diào)制過程中不會對電路造成干擾。

2.3FCCM狀態(tài)

同步拓撲結構中采用NMOS開關管代替續(xù)流二極管，NMOS的導通壓降遠小于二極管的壓降，雖然顯著減小了續(xù)流通路的導通損耗，但是當負載電流較小(RL較大)時，電感L電流iL在一個調(diào)制周期內(nèi)會下降到0，此時VND仍然為高電平，MN仍然導通，CL通過電感L對地放電，電感電流方向發(fā)生變化，電路進入FCCM[4]，如圖 3（b）所示。此時Buck電路包括3個階段，t1、t2階段與CCM類似，t3階段的等效電路如圖 3（d）t3所示。如果Buck電路用于對電池充電，電路工作于FCCM會導致電池電壓停滯，電池處于充電-放電電壓保持不變的狀態(tài)，如圖 4所示。

2.4DCM狀態(tài)

為了防止電感進入FCCM，獲得非同步拓撲中二極管可以防止電感電流在調(diào)制周期的任意時刻變換電感電流方向的效果，需要在NMOS管導通PMOS管關斷階段檢測LXC處的電壓。當VLXC＞0時，即電感上出現(xiàn)反向電流，產(chǎn)生保護信號將NMOS管關斷，使電感進入斷續(xù)導通模式（DCM），如圖3（c）所示。電路工作于DCM對電池充電的仿真結果如圖5所示。此時Buck電路包括3個階段，t1、t2階段與CCM類似，t4階段時MP和MN均被控制信號關斷，寄生電容CP沒有到交流地的通路，CP與RL、CL、L構成LC振蕩回路，等效電路如圖 3（d）t4所示，由于CL＞＞CP，此時振蕩頻率為：

由于CP較小，fOSC通常較大，會在LXC處形成顯著的振蕩，如圖 3（c）所示。如果電路在進入t4階段時電感兩端電壓和流過的電流都恰好為0，那么LXC處于穩(wěn)定狀態(tài), 不會出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。在實際電路工作時, 很難同時保證這兩個條件，所以存在一個趨向穩(wěn)定的過程，可能出現(xiàn)不同的阻尼狀態(tài)。此時較小的阻尼系數(shù)將會導致長時間的振鈴現(xiàn)象。振蕩的基波可能通過電感磁場或寄生電容傳播到系統(tǒng)其他敏感（射頻）電路中, 影響整體的功能。

圖4　Buck電路FCCM模式對電池充電

圖5　Buck電路DCM模式對電池充電

3　Buck型DC-DC中振鈴現(xiàn)象的抑制

3.1Buck型DC-DC抗振鈴設計的困難

為了使振蕩盡快衰減, 可以通過減小電感的等效并聯(lián)電阻實現(xiàn)，但對于 Buck型DC-DC，只有電感前端與芯片相連，所以不能采用上面的方法抑制振鈴現(xiàn)象。Buck型DC-DC電路中，為了抑制振鈴現(xiàn)象，最直接的手段是提高控制精度，使電感中殘余的電流在N管關斷時趨向于零, 但控制電路不易實現(xiàn)，并且抗振效果不理想。

3.2抗振鈴設計的原理

為了抑制振鈴現(xiàn)象，電路進入DCM的t4階段時，可以在LXC和GND之間接入阻尼電阻RX，減小CP的并聯(lián)電阻，如圖 6所示。由于儲能電容上的電荷會通過電感和電阻到地的通路泄漏，降低轉換效率，所以在振鈴結束后需要將電阻斷開。較小的RX可以加快振蕩的衰減，但RX斷開時電感中還會殘留較大的電流（峰值為VO/RX），導致RLC回路再次振蕩；如果RX阻值偏大，那么振蕩衰減會很慢，所以需要選取阻值合適的RX。

圖6　抗振鈴原理圖

3.3具體電路設計

抗振鈴電路的具體設計如圖7所示。 Buck系統(tǒng)通過調(diào)制信號PWM產(chǎn)生開關MOS管的驅動信號PD、ND。當ND為高電平，NMOS管導通時，保護電路檢測LXC電壓，當VLXC＞0時，通過比較器產(chǎn)生保護關斷信號將MN強制關斷，電路進入DCM。此時PD、ND分別為高和低電平，MP、MN同時關斷，通過控制門產(chǎn)生抗振鈴使能信號，將阻尼電阻RX接入LXC與GND之間，起到抗振鈴作用。

圖7　Buck電路抗振鈴設計

抗振鈴過程時序如圖8所示。當保護電路檢測到VLXC＞0時，產(chǎn)生保護信號PRO使ND為低電平，NMOS管關斷，電路進入DCM，同時產(chǎn)生抗振鈴使能信號，電阻RX接入LXC與GND之間，下一個調(diào)制周期開始后，抗振鈴使能信號失效，防止電容通過RX對地放電。

圖8　抗振鈴過程時序

4　仿真結果

基于CSMC 0.5 μm CMOS工藝，設計了一款帶抗振鈴設計的Buck電路，振幅峰值可降低15%左右。采用Hspice軟件對有、無抗振鈴設計的Buck電路分別進行仿真，電感電流iL及電感前端電壓VLXC的結果對比如圖 9所示，可以通過抗振鈴設計使電感電流及電感前端電壓衰減明顯加快，從而減小振鈴現(xiàn)象對系統(tǒng)RF電路的高頻噪聲干擾。實際上，可以通過精確選擇阻尼電阻RX獲得更好的抗振鈴效果。

圖9　有無抗振鈴設計仿真對比

有無抗振鈴設計電路的振鈴幅度對比如表 1所示。

表1　有無抗振鈴設計振鈴幅度對比

5　結論

本文提出一種用于抑制Buck電路振鈴現(xiàn)象的設計方法，采用簡單控制邏輯在DCM開關管關斷時，將阻尼電阻RX接入LXC與地之間，加快振蕩衰減。阻尼電阻選取的大小非常關鍵，需要根據(jù)系統(tǒng)對振鈴噪聲的要求及負載情況權衡優(yōu)化，在起到抗振鈴作用的同時，不能降低電路轉換效率。

參考文獻：

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[4] Sanjaya Maniktala著，王志強等譯. 精通開關電源設計[M]. 北京：人民郵電出版社.

來鵬飛（1988—），男，山東莒縣人，2010年獲山東科技大學學士學位，2013年獲南通大學碩士學位，就職于無錫中微愛芯電子有限公司，主要從事數(shù)?；旌霞呻娐吩O計。

The Restrain of Ringing Phenomenon for Buck DC-DC Circuit

LAI Pengfei, CHEN Feng, CAO Fabing, Li Liang
（Wuxi I-CORE Electronics Co., Ltd., Wuxi 214072, China）

Abstract:The current of the inductor connected outside may drop to zero when the buck converter has a smaller load. In order to prevent the buck converter enter into FCCM and the current direction of inductor reversed which results in the discharge of the load capacitor through the free-wheeling NMOS and the reduction of the DC-DC conversion efficiency, we design the protection circuit detecting the voltage of the inductor frontend when the current dropped to zero. If the voltage is greater than zero, it forces to shut off the NMOS switch and the buck converter enters into DCM. The parasitic capacitor of the switch MOS form the LC oscillation circuit with the inductor outside and generate the ringing phenomenon. In order to restrain the ringing phenomenon, this article designs control circuit to insert a damping resistor to reduce the parallel resistor of the capacitor, which accelerates the attenuation of the oscillation.

Keywords:Buck converter; DC-DC circuit; anti-ringing; damping resistance

作者簡介：

收稿日期：2015-9-22

中圖分類號：TN402

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0028-05