DC-DC轉(zhuǎn)換器DCM&CCM-噪聲電壓分析&設(shè)計(jì)

杜佐兵 2022-04-18 10:45 1105 閱讀 4 贊 10 收藏 0 評(píng)論

開(kāi)關(guān)電源：其特點(diǎn)是尺寸小、成本低、效率高，所以具有極高的價(jià)值。

目前我在LED背光的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（DC-DC/BOOST結(jié)構(gòu)）應(yīng)用中，跟我的IC應(yīng)用工程師就討論了一個(gè)話題；

我的BOOST驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用在DCM(斷續(xù)模式)還是CCM（連續(xù)模式）會(huì)好些？

我給出的答案：

DCM模式時(shí)在小功率應(yīng)用時(shí)有較好的EMI表現(xiàn)；主要是輸出二極管工作在零電流關(guān)斷，反向恢復(fù)電流為零；輸出二極管沒(méi)有逆向電流（負(fù)電流）表現(xiàn)出來(lái)。

但是，它最大的缺點(diǎn)就是高開(kāi)關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致高輸出噪聲電壓。如果對(duì)輸出紋波和噪聲電壓有較高的要求，CCM有較好的表現(xiàn)。

由于我研究EMI多年同時(shí)對(duì)電源有很深的理論功底；所以對(duì)DCM模式表現(xiàn)的出來(lái)的噪聲電壓?jiǎn)栴}；我是提供CLC的pi濾波器設(shè)計(jì)分析參考；

1. 升壓轉(zhuǎn)換器在恒定電流模式(CCM)下的設(shè)計(jì)和分析。

A.電路結(jié)構(gòu)

B.輸出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形

從理論上就可以看出，在CCM模式輸出電壓的紋波及噪聲電壓是比較好的！

測(cè)試其輸出噪聲電壓也是平均對(duì)稱(chēng)的；在大多數(shù)場(chǎng)合，應(yīng)用者會(huì)比較多！

2. 升壓轉(zhuǎn)換器在恒定電流模式(DCM)下的設(shè)計(jì)和分析。

直接給出如下的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和噪聲電壓波形

DCM中BOOST轉(zhuǎn)換器的典型測(cè)量波形

DCM-斷續(xù)電流模式的拓?fù)渌陂_(kāi)關(guān)周期內(nèi)電流具有快速上升和下降時(shí)間。這會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)開(kāi)關(guān)、布局和輸出電容中的寄生電感影響。其結(jié)果是，在實(shí)際使用中，輸出波形看上去就出現(xiàn)上面的波形，哪怕布局布線良好并且使用陶瓷輸出電容等。

由于電容電荷的變化而導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)紋波(開(kāi)關(guān)頻率)相比輸出開(kāi)關(guān)的無(wú)阻尼振蕩而言非常小。

一般而言，此輸出噪聲范圍為10MHz至100MHz以上，遠(yuǎn)超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對(duì)噪聲衰減的作用不大。

3.在輸出端添加LC濾波器改善噪聲電壓?jiǎn)栴}。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖如下：

這種配置提供了極佳的紋波和開(kāi)關(guān)噪聲抑制能力，并具有較低的功耗。

問(wèn)題在于，我們現(xiàn)在引入了一個(gè)額外的儲(chǔ)能電路，它可能產(chǎn)生諧振。

這就有可能導(dǎo)致振蕩，使電源不穩(wěn)定。

因此，設(shè)計(jì)該濾波器的首先要做的是如何選擇阻尼濾波器。

對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)我進(jìn)行理論的分析設(shè)計(jì)：

阻尼技術(shù)1：

添加RFILT具有額外成本和尺寸增加較少的優(yōu)勢(shì)。阻尼電阻的損耗通常很少(甚至沒(méi)有)，哪怕大電源情況下都很小。

缺點(diǎn)是，它會(huì)降低電感的并聯(lián)阻抗，從而大幅降低濾波器的有效性。

阻尼技術(shù)2：

第二種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是濾波器性能最大化。

如果需要采用全陶瓷設(shè)計(jì)，則RD可以是與陶瓷電容串聯(lián)的分立式電阻。

否則需使用具有高ESR且物理尺寸較大的電容。

這個(gè)額外的電容(CD)會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)的成本和尺寸。

阻尼技術(shù)3：

看上去具有極大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樽枘犭娙軨E添加至輸出端，

它可能對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波性能有所助益。

然而，這種技術(shù)成本最高，因?yàn)樗桦娙輸?shù)量極大。

此外，輸出端相對(duì)而言較多的電容會(huì)降低濾波器諧振頻率，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)的帶寬——因此不建議使用第3種技術(shù)。

我們采用第1種技術(shù)，因?yàn)樗杀据^低，且在自動(dòng)化設(shè)計(jì)步驟中相對(duì)來(lái)說(shuō)較為容易實(shí)現(xiàn)。

需注意的另一個(gè)問(wèn)題是補(bǔ)償。

把濾波器放在反饋環(huán)路內(nèi)部幾乎一直都是更好的做法。這是因?yàn)椋瑢⑵浞旁诜答伃h(huán)路內(nèi)有助于在一定程度上抑制濾波器，消除直流負(fù)載偏移和濾波器的串聯(lián)電阻，同時(shí)能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)、更低的振蕩。

我提供的設(shè)計(jì)理論依據(jù)：

反饋在濾波器電感之前或之后獲取。哪怕濾波器不在反饋環(huán)路內(nèi)部，開(kāi)環(huán)波特圖依然存在非常大的變化。由于控制環(huán)路無(wú)論濾波器是否在反饋環(huán)路中都會(huì)受影響，因此也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，將目標(biāo)交越頻率向下調(diào)整至不超過(guò)濾波器諧振頻率(FRES)的五分之一到十分之一是比較好的設(shè)計(jì)。

理論公式如下：

這類(lèi)濾波器的設(shè)計(jì)步驟本質(zhì)上是一個(gè)迭代過(guò)程，因?yàn)槊恳粋€(gè)元件的選擇都會(huì)影響其它元件的選擇。使用并聯(lián)阻尼電阻的LC濾波器設(shè)計(jì)參考公式如下：

前級(jí)濾波電容C1:

10mVp-p至100mVp-p是個(gè)參考數(shù)值，具體取決于最終要求的輸出紋波。

設(shè)計(jì)電感LFILT：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，較好的數(shù)值范圍為0.5μH至4.7μH。

應(yīng)按照高自諧振頻率(SRF)來(lái)選擇電感。較大的電感具有較大的SRF，這意味著它們的高頻噪聲濾波效率較差。較小的電感對(duì)紋波的影響沒(méi)有那么大，需要更多電容。開(kāi)關(guān)頻率越高，電感值越小。比較電感值相同的兩個(gè)電感時(shí)，SRF較高的器件具有較低的繞組間電容。

繞組間電容用作濾波器周?chē)亩搪罚饔糜诟哳l噪聲。

添加濾波器會(huì)影響轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償，具體表現(xiàn)為降低可實(shí)現(xiàn)的交越頻率(Fu)。根據(jù)公式的計(jì)算，對(duì)于電流模式轉(zhuǎn)換而言，可實(shí)現(xiàn)的最大Fu是開(kāi)關(guān)頻率的1/10以下，或者是濾波器FRES的1/5以下。

在實(shí)際的應(yīng)用中，大部分模擬負(fù)載不需要太高的瞬態(tài)響應(yīng)。

通過(guò)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換器輸出所需的輸出電容近似值(CBW)，以提供指定的瞬態(tài)電流階躍響應(yīng)。