大讨论：降压转换器发生振铃怎么办？

shuszhao · 发表于 2017-11-30 17:28:21

若是降压转换器在开关MOSFET关断期间引发"教堂钟声一样响亮的振铃"，该怎么办？本文作者John Dunn是电子行业的资深顾问，他建议在电路中添加一个二极管来解决这一问题。EDN美国读者对此却有不同的观点。。。
有时，一个小小的降压转换器在开关MOSFET的关断期间就可以引起像"教堂钟声一样响亮的振铃"，正如图中SPICE模型的上部波形所示。然而，只需要添加一个二极管即可轻松解决这个振铃问题，如图中下面部分的波形所示。

有人担心添加这个抗振铃二极管会造成额外的功耗，确实如此。但是，任何设计都会有利弊权衡的问题，对吧。
在我以前的电路设计中，有时候也会适当地使用这种二极管。但这是否适合你的设计，还是你自己来决定吧。
下面是本文作者John Dunn和他的读者之间的问答互动，我们整理出来供大家参考。如果你有任何设计观点，欢迎与EDN中文版的读者分享。
@ apummer945
电路中那个C4是干什么用的？只要去掉它，振铃马上就会消失。
@ dllaffer
我在设计中从来没有遇到过由EMI效应引起的波形振铃问题。除了使波形看起来更好些外，添加那个二极管是否还有其它用途？
@ John Dunn （本文作者）
在出现这个问题的实际器件中，振铃非常强烈，使MOSFET体二极管将电流脉冲带回到了直流输入端。当时我们还没有遇到EMI问题，但似乎是传导辐射问题一个可能的原因，这比较容易避免。
另一个问题是，我们不确定是否应该允许MOSFET体二极管进行任何电流的传输。在一个与此无关的电路设计中，我们需要选择MOSFET。一个MOSFET供应商提醒我们，在其三种不同系列的MOSFET产品中，其中两种允许体二极管导通电流，第三个就不行。
俗话说得好，再谨慎也不为过。
@ tedMiller

我在琢磨介于D3和L2之间的节点(节点1？)会不会发生什么。你已经阻止了存储能量的路径，所以电压可能会更高。我会考虑在节点1和节点6(原供电端)之间添加一个二极管，这将钳制节点1的峰值电压，并可能会耗散一个电流信号中存储的能量。

我想知道为什么需要C6。根据我的经验，应该最小化节点6和地之间的电容，因为这里任何电容都有可能在某个时刻引起振铃。另外，除非你的源端是感性的(当然你不希望这样)，否则你将会看到由Q1引起的电流脉冲。

@ Michael Dunn
确切地说，10nF是怎么回事？除非它是一个谐振转换器，否则我们不会在一个转换器中使用LC储能电容。而显示出的振铃正好是10nF和5uH的组合引起的。
@ John Dunn
那个10nF电容确实是一个制造麻烦的家伙。它是振铃的一部分，也代表开关MOSFET中的Ids脉冲，二者都不是我们想要的。
但是，当我尝试去除它时，由EMI效应引起的各种不稳定性就出现了。即使没有那个可恶的电容，仍然会有一些振铃发生，可能是由MOSFET的节点电容引起的，这仍然需要增加二极管来抑制。
@ skal_jp
我的理解可能不正确，但这个设计给我的印象是，当降压转换器的负载很小时，在V1上就会发生振铃，使转换器进入“轻负载模式”。我在想，如果要避免这种振铃，是不是应该根据负载大小来确定转换器的合适大小。
你所描述的现象是不是这样的？如果不是，通过增加二极管来改变正常行为，会不会有额外的风险？
@ John Dunn
那个客户遇到的振铃在任何负载情况下都存在。这是在MOSFET开关周期的关闭期间发生的，包括在功率高达100W的满负荷情况下。
@ ebpDoug
要对这个电路有深入的理解，还有很多东西需要探讨。
我经常使用降压转换器，电压比这个高很多或低很多的情况都有，但从来没有遇到过这种振铃问题。
一个500V的FET是很不寻常的，除非电路的电压比标明的要高得多。
增加一个二极管引起的功耗可能很小，绝对在容许范围内，比如对于1A 100W的输出功耗低于1W。但也可能很严重，比如在3.3V/30A情况下效率减损极大（在这种情况下440μF电容配上100毫欧ESR是很不合适的）。
在任何负载下出现这种振铃现象都非常明显地表明转换器处于非连续工作模式，即使在全功率。这也很奇怪，除非有一些特别的原因，否则就表明电路中有不适当的元件，比如电感不足。
通过一个电阻将开关节点接地是不正确的。如果没有这个电阻，而仍然存在不稳定的问题，原因肯定可以排查出来。正如其他人所提及的，RC缓冲电路snubBer是合适的，对功效应该没什么影响。应该检查一下泄漏电感。线路布局也应该仔细检查，以确保环路面积最小化，而且要确保电源通路的电流没有进入控制电路。还必须检查栅极驱动通路，包括FET源极通路。
增加这个二极管可能是抑制振铃的一个办法，但我认为这不是一个好的解决办法。
@ John Dunn
我想这个电路表明，我们生活在一个不完美的世界，无论是我们所做的事，还是对事情的描述，可能都是不完美的。
首先，这不是客户的真实电路。我把这个电路模拟放在一起，以显示LC所发生的现象。振铃就像大本钟一样，是必须抑制的现象。增加一个二极管的作用就在于此。
IRF450不是客户的MOSFET。我只是随手拿来用于模拟演示。
那个电容确实就在那里。客户已经把它放进电路设计中了，但是当我试图将其拿掉时，出现了开关不稳定的现象。
如果要拿掉那个电容，重新设计电路的研发费用很高。
我在设计中看到了其它一些缓解因素，可能防止MOSFET不受电容脉冲电流影响，但我不敢完全确定这一点。不过，好像一切都还可以，转换器工作也正常，所以就这样啦。