利用Snubber电路消除开关电源和ClassD功放电路中的振铃

概述

开关电源和ClassD功放，因为电路工作在开关状态，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开关波形在跳变时，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开关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开关信号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，开关电源和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。


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，开关电源和ClassD功放的PWM开关信号的上升/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开关信号的测量结果


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开关信号的前后沿波形。


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

开关电源和Class D功放电路中的谐振电路

在开关电源和Class D功放电路中，芯片退耦电容到芯片电源引脚之间的PCB走线，芯片电源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开关切换时，伴随着比较大的振铃。


图9：开关电源和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开关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开关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开关引脚处测到的波形。在PWM信号开关时，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：



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开关信号，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开关信号的前沿波形。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开关周期的能量消耗为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

我们讨论了开关电源和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。