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谈谈如何利用Snubber电路消除苏州油浸式变压器和ClassD功放电路中的振铃

发布者:苏州油浸式变压器厂    发布时间:2019-03-25
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概述

苏州油浸式变压器和ClassD功放,因为电路工作在状态,大大降低了电路的功率损耗,在当今的电子产品中得到了广泛的应用。由于寄生电感和寄生电容的存在,电路的PWM波形在跳变时,常常伴随着振铃现象。这些振铃常常会带来令人烦恼的EMC问题。本文对振铃进行探讨,并采用snubber电路对PWM信号上的振铃进行抑制。

振铃现象





图1:不同阻尼系数对应的阶跃信号(从左至右分别为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼时对应的阶跃信号)


OS(%)定义为过冲量的幅度跟信号幅度的比值,以百分比表示。表1列出了不同阻尼系数对应的过冲OS(%)。



图2:过冲图示



表1,不同阻尼系数对应的过冲OS(%)



振铃的危害

对于振铃,我们直观感受到的是示波器屏幕上的电压的波动。实际带来问题的通常是电路的电流的谐振。在图三所示的电路里面,当PWM信号V1在0V和12V切换时,流过电感L1和电容C1的谐振电流可以达到安培量级,如图四所示。在高频(图3所示电路的谐振频率为232MHz,苏州油浸式变压器和ClassD电路里常见的振铃频率在几十兆到几百兆Hz之间),安培量级的电流通过很小的回路,都可能造成辐射超标,使产品无法通过EMC认证。


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图3:LC谐振电路



图4:电容C1两端的电压和流过电容C1的谐振电流




避免测量引入的振铃

为了提高电路的效率,苏州油浸式变压器和ClassD功放的PWM信号的上升/下降时间都比较短,常常在10ns量级。测量这样的快速切换信号,需要考虑到示波器探头,特别是探头的接地线对测量结果的影响。在图5的测量方法中,示波器探头的地线过长,跟探头尖端的探针构成很大的回路。捕获到的信号出现了很大的振铃,如图6所示。



图5:示波器探头上长的地线会影响PWM信号的测量结果



图6:图5测量方法对应的测试结果


为了降低示波器探头对测量结果的影响,我们在电路板上焊接测量接地探针,并去除示波器探头上的地线,如图7所示。通过这种方法,我们可以大大降低示波器探头地线对测量引入的振铃。图8是使用这种方法捕获到的PWM信号的前后沿波形。



图7:通过在PCB上焊接接地点改善测量结果



图 8:图7测量试方法对应的测试结果

苏州油浸式变压器和Class D功放电路中的谐振电路

在苏州油浸式变压器和Class D功放电路中,芯片退耦电容到芯片苏州油浸式变压器引脚之间的PCB走线,芯片苏州油浸式变压器引脚到内部硅片之间的绑定线可以等效成一个寄生电感。在功率MOSFET截止时,功率MOSFET电极之间的电容(Cgs、Cgd、Cds)可等效成一个寄生电容。如图9所示。这些寄生电感和寄生电容构成了LC谐振电路。图9中的高端MOSFET导通,低端MOSFET截止时,可以等效成图十所示的LC谐振电路。为了提高电路的效率,当今芯片内部集成的功率MOSFET的RDSQN都做得比较小,常常在几十毫欧到几百毫欧之间。这意味着谐振电路的阻尼系数可能很小。造成的结果是在PWM切换时,伴随着比较大的振铃。




图9:苏州油浸式变压器和D类功放电路里的寄生电感和电容





图10:图9中高端MOSFET导通,低端MOSFET截止时的等效电路

利用Snubber抑制振铃

上面对LC谐振电路的振铃做了介绍。下面介绍利用snubber电路对振铃进行抑制。如图十一中虚线框内的电路所示,Snubber电路由一个小阻值的电阻Rsnubber和一个电容Csnubber串联构成。其中电阻Rsnubber用来调节LC谐振电路的阻尼系数。电容Csnubber在振铃频率(即LC谐振频率)处呈现很低的容抗,近似于短路。在PWM频率又呈现出较高的容抗。如果没有电容Csnubber的存在,PWM信号会一直加在电阻Rsnubber两端,电阻Rsnubber会消耗过多的能量。

下面给Rsnubber选取合适的电阻值,让PWM信号能快速稳定到终值,而又不产生振铃(临界阻尼)。我们以图11的电路为例。其中L1是电路的寄生电感,C1是电路的寄生电容,Reqv是电路的等效并联电阻。



图11:snubber电路


整理得到:

用snubber改善振铃实例

下面以一个实例介绍snubber电路元件值的选取。图12a是一款降压DC-DC在PWM引脚处测到的波形。在PWM信号时,伴随着振铃现象。通过示波器测量到的振铃频率为215.5MHz。我们可以构建第一个方程:

图12


为了得到L1和C1的值,我们需要构建另外一个方程。我们给电容C1并联一个小电容:在PWM引脚临时对地焊接一个56pF的电容。这时,振铃频率变为146.2MHz,如图十二b。据此,我们构建另一个方程:




图13:阶跃信号过冲


电容Csnubber的选择:Csnubber元件值的选取原则是,在LC谐振频率(振铃频率)处,容抗要远小于Rsnubber的阻值。对PWM信号,又要呈现出足够高的容抗。图14是Csnubber采用560pF的电容,Rsnubber采用18欧姆电阻时,PWM信号的前沿波形。对比图12a中的波形,振铃得到了很大的改善。



图14:加入snubber电路后的PWM前沿波形

Snubber电路的能量消耗

Snubber电路中能量消耗在电阻Rsnubber上,而能量消耗的多少又取决于电容Csnubber的容量,跟电阻Rsnubber的值无关。这是因为PWM信号给电容Csnubber充电时,电路给snubber电路提供的能量为C·V2,而电容只得到了其中的一半(0.5·C·V2),另一半被Rsnubber消耗掉。改变Rsnubber的电阻值,只是改变了电容充电的速度和Rsnubber消耗能量的速度,而不改变充电一次Rsnubber所消耗的总能量。Csnubber放电时,电容储存的能量被Rsnubber消耗。Rsnubber在一个PWM周期的能量消耗为C·V2。Rsnubber功率消耗为:

有些应用场合对电路的效率有很高的要求,对snubber电路消耗的功率也需要进行限制。遇到这种情况,可以适当调整snubber电路的元件值,在PWM信号的振铃和功率消耗之间取得平衡。


总结

我们讨论了苏州油浸式变压器和ClassD功放电路里PWM信号的振铃现象,振铃带来的危害,振铃引起的过冲和电路的阻尼系数的对应关系。然后,我们介绍了如何用snubber对振铃进行抑制。最后,本文通过一个实例介绍了snubber电路里元件值的选取。在介绍过程中,引入了一些简单的数学公式。这些数学公式有助于加深我们对概念的理解。


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