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BUCK到底是怎么產(chǎn)生尖峰振蕩呢？（感動(dòng)！寫(xiě)得太精彩了！）

六云ocbohngfbq 2022-08-21 發(fā)布于廣東

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要想把這個(gè)問(wèn)題搞清楚，也很是不容易，所以文章有點(diǎn)長(zhǎng)，請(qǐng)直接點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)加收藏。

問(wèn)題

本期主要分析以下這兩個(gè)問(wèn)題：

1、死區(qū)時(shí)間是什么？這里有個(gè)小臺(tái)階是什么情況？

2、上下尖峰振蕩是如何產(chǎn)生的？跟哪些因素有關(guān)？

理想的BUCK的SW波形

我們由淺入深，一步一步來(lái)，先看理想的開(kāi)關(guān)SW波形—沒(méi)有尖峰電壓的波形。

為了能更好的看buck電路各個(gè)點(diǎn)的電壓電流情況，我選的電源芯片是沒(méi)有內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)管的，使用的是外置的MOS管，電源芯片型號(hào)為L(zhǎng)TC7803。

使用LTspice進(jìn)行仿真，電路圖如下：

如果對(duì)BUCK的拓?fù)溆辛私獾脑?/span>，上面這個(gè)電路一眼應(yīng)該就看明白了，是一個(gè)同步buck，沒(méi)有用到二極管。

這個(gè)電路的輸入是12V，輸出是3.3V，負(fù)載等于0.5Ω，BUCK工作在連續(xù)模式?，F(xiàn)在我們直接看電感前面SW的波形，如下圖：

我們可以看到，這個(gè)波形很漂亮，看著就是非常好的矩形波，沒(méi)有向上的振鈴。

唯一美中不足的是，在底部有下沖。

這是怎么回事呢?是向下的振鈴嗎？

如果仔細(xì)觀察的話，這個(gè)下沖的幅度大概是0.7V左右，也沒(méi)有出現(xiàn)振蕩波形，如此，猜測(cè)應(yīng)該是二極管的導(dǎo)通電壓。

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，我們對(duì)比兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs，然后看看電感的電流。

從上圖，很容易看到，電感的電流一直都是正的（大于0），也就是電感的電流總是向負(fù)載那個(gè)方向流動(dòng)的，并不會(huì)反向，并且，最小的電流也有2A。

但是呢，如果我們對(duì)比兩個(gè)NMOS管的Vgs，會(huì)發(fā)現(xiàn)有同時(shí)為低的情況，也就是說(shuō)兩個(gè)管子同時(shí)都不導(dǎo)通，這一段時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。

為啥會(huì)有死區(qū)時(shí)間呢？

我們通常分析BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)認(rèn)為只有一個(gè)管子導(dǎo)通，要不上管，要不下管（連續(xù)模式）。

而實(shí)際MOS管在切換導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，MOS管必然會(huì)存在中間態(tài)-半導(dǎo)導(dǎo)通狀態(tài)，半導(dǎo)通時(shí)的MOS管的導(dǎo)通電阻是變化的，很大到接近于0，如果兩個(gè)管子同步切換，那么必然會(huì)出現(xiàn)都處于半導(dǎo)通狀態(tài)的情況，回路電阻很大，這樣功率電感電流就沒(méi)法續(xù)流了。

所以呢，必須要考慮切換時(shí)其它的續(xù)流方式。

不僅如此，如果兩個(gè)管子同步切換，稍微有一點(diǎn)不同步的話，那么肯定會(huì)存在兩個(gè)管子都導(dǎo)通的情況，這樣的話就相當(dāng)于電源直接對(duì)地短路了，這簡(jiǎn)直是災(zāi)難。

現(xiàn)在看來(lái)，保險(xiǎn)起見(jiàn)，干脆將時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，每次切換的時(shí)候，讓兩個(gè)管子都不導(dǎo)通一段時(shí)間，這樣就絕不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通了。

但是這樣的話，我們必須想辦法給功率電感續(xù)流。

這個(gè)續(xù)流的方式很容易想到，MOS管是有體二極管的。在兩個(gè)管子都關(guān)閉的時(shí)候，可以通過(guò)體二極管的續(xù)流。

寫(xiě)到這里，我突然想起來(lái)，有些同步的DCDC芯片推薦的電路，會(huì)有二極管選貼一說(shuō)（二極管可要可不要），比如這個(gè)MP1484的D1。

看到這個(gè)圖不要以為這是一個(gè)異步buck，二極管D1是選貼的。

那這個(gè)二極管有什么用呢？

其實(shí)MP1484芯片手冊(cè)里面也有寫(xiě)。

寫(xiě)的很明白了：

在上管和下管轉(zhuǎn)換期間，電感電流主要從下管的體二極管流過(guò)。體二極管的導(dǎo)通電壓比較高，可選用一個(gè)肖特基二極管并在SW和GND之間，以此來(lái)提升整體效率。

這個(gè)器件是硅芯片，那么顯然，體二極管也就是硅二極管，導(dǎo)通電壓自然要比肖特基二極管更高，因此使用肖特基二極管可以降低功耗。

不過(guò)我想這個(gè)降幅應(yīng)該很是很有限的，因?yàn)樯舷鹿苻D(zhuǎn)換期間的時(shí)間非常短暫，只占開(kāi)關(guān)周期很短的一部分時(shí)間，并且就算用了肖特基二極管，也還是有導(dǎo)通電壓，只是比之前小一點(diǎn)而已。

以上是仿真波形，那實(shí)際電路也會(huì)在開(kāi)關(guān)切換時(shí)有個(gè)0.7V左右的“下沖”嗎？

我手頭正好有MP1484的板子，于是我用示波器測(cè)試了一下，波形如下圖：

奇怪的是，只在下降沿時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)0.7V的下沖臺(tái)階，在上升沿時(shí)底部并沒(méi)有向下的“下沖”臺(tái)階。

這是為什么呢？難道上升沿時(shí)上下管切換并沒(méi)有死區(qū)時(shí)間？

為此，我猜測(cè)可能是負(fù)載電流的太小，并且上升沿時(shí)的死區(qū)時(shí)間比較短，而MOS管的D和S是有寄生電容的。

在開(kāi)關(guān)切換之前，下管是導(dǎo)通的，等于接地，寄生電容兩端電壓約為0V，體二極管也是0V。

在切換時(shí)，體二極管剛開(kāi)始也沒(méi)有導(dǎo)通，所以是先對(duì)電容進(jìn)行放電才能讓電壓變?yōu)?0.7V，此時(shí)二極管才會(huì)導(dǎo)通。如果死區(qū)時(shí)間太短，或者電感需要續(xù)的電流很小，那么可能在死區(qū)時(shí)間結(jié)束，電容都能提供足夠的續(xù)流，電壓下降很小。

為了印證我的猜測(cè)，因?yàn)闆](méi)法加長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間，所以我改變了負(fù)載電阻，加大了負(fù)載電流，目的是為了讓寄生電容提供不了足夠的續(xù)流。

再次測(cè)試了一下，確實(shí)就能量到上升沿的死區(qū)時(shí)間了，如下圖所示

可以看到，上升沿也有一個(gè)向下的冒尖，時(shí)間非常短，拉開(kāi)示波器時(shí)間尺度發(fā)現(xiàn)大概是13ns（就不截圖了）。而下降沿向下的冒尖時(shí)間大概是100ns。也就是說(shuō)這個(gè)MP1484的兩個(gè)死區(qū)時(shí)間分別是13ns和100ns。

從前面的仿真波形可以看到，在開(kāi)關(guān)管切換時(shí)，死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致SW處出現(xiàn)0.7V左右的負(fù)壓臺(tái)階，但是完全看不到尖峰。

而實(shí)測(cè)波形是有尖峰的，那這個(gè)尖峰是如何產(chǎn)生的呢？它的大小與哪些因素有關(guān)系呢？

我們接著看。

當(dāng)然，我上圖中實(shí)測(cè)的尖峰也很小，這是因?yàn)槲易龅陌遄右呀?jīng)盡量?jī)?yōu)化PCB了，所以尖峰效果不明顯，如果板子做得差的話，可能是下面這樣的。

拉開(kāi)可以看到是高頻振蕩

我們知道，這個(gè)尖峰過(guò)高，意味著存在高頻的劇烈變化的電流，會(huì)產(chǎn)生EMI的問(wèn)題，同時(shí)，如果太高的話，可能會(huì)擊穿內(nèi)部開(kāi)關(guān)管。

如果我們想要降低尖峰，最好的方式莫過(guò)于知道這個(gè)尖峰是如何產(chǎn)生的，然后對(duì)癥下藥。

BUCK的SW波形尖峰如何產(chǎn)生

首先一個(gè)問(wèn)題，仿真沒(méi)有出現(xiàn)尖峰，是什么原因呢？

是因?yàn)槠骷Ｐ筒粶?zhǔn)確嗎？也許吧，仿真使用到了集成芯片，NMOS管，電感和電容，那么如何確認(rèn)這個(gè)問(wèn)題呢？

更新功率電感模型

功率電感FCUL1060-H-R56M我使用的是LTspice庫(kù)里面自帶的。

里面的寄生參數(shù)很少，我只看到了Rser，寄生電容都看不到，因此我有理由懷疑這個(gè)模型不準(zhǔn)確。

既然有懷疑，那就單獨(dú)測(cè)試下這個(gè)電感的阻抗曲線。

測(cè)試方法很簡(jiǎn)單，用1A的電流源，采用AC頻率掃描的方式，測(cè)量電感兩端電壓就可以了。

因?yàn)殡娏魇?A，所以阻抗值與測(cè)得的電壓相等，測(cè)試電路與結(jié)果如下圖：

實(shí)線是阻抗，虛線是相位。

很顯然，這個(gè)電感模型有問(wèn)題，或者說(shuō)是不夠準(zhǔn)確吧，因?yàn)樽杩闺S頻率的增大而增大，連自諧振頻率都看不見(jiàn)。

因此，我從村田下載了FCUL1060-H-R56M的Spice文件，重新構(gòu)建模型，再次測(cè)試阻抗曲線如下圖：

注意，上圖中U1就是重新生成的電感模型，這個(gè)LTspice軟件打開(kāi)spice文件，然后自動(dòng)創(chuàng)建的電感模型，所以在LTspice看來(lái)，它是一個(gè)模塊，位號(hào)就成了U1，大家知道這是我生成的電感模型就好。

可以看到自諧振頻率大概是100Mhz，這個(gè)模型應(yīng)該是比較準(zhǔn)確的，看起來(lái)是那么回事。

其實(shí)我們也可以從spice文件提取出這個(gè)電感的等效電路模型，spice文件本質(zhì)來(lái)說(shuō)就是個(gè)網(wǎng)表

上圖是我根據(jù)spice文件畫(huà)出的等效電路模型，仿真一下會(huì)發(fā)現(xiàn)阻抗曲線與前面的一模一樣。

可以看到，這個(gè)官網(wǎng)提供的電感的spice文件還是挺復(fù)雜的，它創(chuàng)建的電感的模型應(yīng)是更為準(zhǔn)確的。

我們平時(shí)可能會(huì)說(shuō)電感的高頻模型是下圖這樣的。這也不能說(shuō)錯(cuò)，只能說(shuō)不夠準(zhǔn)確，因?yàn)槲覀兤綍r(shí)也不需要那么精確，因此下圖也就夠用了。

而這次我們需要更精準(zhǔn)的模型，所以用廠家官網(wǎng)提供的spice文件是最好的。

更新電容模型

同樣的方法，我從官網(wǎng)下載我使用的22uF和100uF電容的spice文件，構(gòu)成新的模型，測(cè)試阻抗曲線如下圖所示

同樣，實(shí)線是阻抗，虛線是相位

使用新的電感和電容模型，放入到原來(lái)的電路中，電路如下所示：

電感和濾波電容均使用了從官網(wǎng)下載的spice文件構(gòu)建的模型，仿真SW的波形如下圖：

與更新模型之前相比，基本沒(méi)差別，這說(shuō)明問(wèn)題不在更新的模型上面。

LTC7803只是一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，產(chǎn)生Vgs信號(hào)，用作驅(qū)動(dòng)MOS管開(kāi)關(guān)，拋開(kāi)開(kāi)關(guān)速度不談的話，應(yīng)該跟尖峰關(guān)系不大。那就只剩下MOS管的原因了。

我們接著看

更新MOS管模型

從前面知道，LTspice軟件自帶的模型很可能是簡(jiǎn)易的，也就是說(shuō)是不夠精確的，NMOS管很有可能也是如此。

電路圖中MOS管使用的是BSC059N04LS6，廠家是Infineon，我從官網(wǎng)上面下載spice文件，根據(jù)spice構(gòu)建新的模型，換到前面的電路中，電路更新如下圖：

仿真SW波形如下圖：

久違的振蕩尖峰終于出現(xiàn)了。。。有一絲興奮。。。

上下尖峰幅度差不多，大概有8V。

現(xiàn)在已經(jīng)看到了類(lèi)似于我們現(xiàn)實(shí)中的尖峰，那么問(wèn)題來(lái)了，這個(gè)尖峰到底是怎么產(chǎn)生的呢？目前看到的就是我們換了一個(gè)MOS管的模型就出現(xiàn)了。

這個(gè)官網(wǎng)提供的MOS管模型到底有什么不同呢？

上圖是官網(wǎng)下載的MOS管的spice文件，需要特別注意的是有三個(gè)參數(shù)，Lg，Ld，Ls這是3個(gè)電感分量。

它的意思是，在MOS管的G，D，S極上面分別串聯(lián)了電感。

因此，我猜測(cè)就是因?yàn)橐肓诉@3個(gè)電感分量，所以才有了振蕩尖峰。

之所以有此猜測(cè)，是因?yàn)檎袷幖夥瀹a(chǎn)生的原因一般就是因?yàn)長(zhǎng)C阻尼振蕩，MOS管的模型一般都不會(huì)少了電容，而電感卻不一定有。

為了驗(yàn)證到底是不是這三個(gè)電感的原因，我將Lg，Ld，Ls都改成了1fH，1fH等于10的負(fù)六次方納亨。其實(shí)我是想改為0的，只不過(guò)改為0后仿真出現(xiàn)不收斂的情況，因此就改成了1fh，這也足夠小了。

將電感參數(shù)改為1fH。

創(chuàng)建一個(gè)新的模型，替換到電路中，再次仿真一下。

會(huì)看到SW的尖峰沒(méi)有了，所以可以肯定的是，MOS管上面串聯(lián)的電感是產(chǎn)生尖峰的必要條件。

那問(wèn)題又來(lái)了？

能不能直接從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析下，電感是產(chǎn)生尖峰的必要條件？

先來(lái)看產(chǎn)生尖峰的時(shí)候，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)閉情況。

以上升尖峰為例。

紅色的波形是上管的Vgs電壓，藍(lán)色的是下管的Vgs電壓，綠色的為SW電壓，最下面的為電感電流。

MOS管使用的是BSC059N04LS6，我們查看芯片手冊(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在Vgs的開(kāi)啟門(mén)限最大是2.3V。而在在SW處產(chǎn)生尖峰振蕩的時(shí)候，Vgs都在3.5V以上，也就是說(shuō)上管已經(jīng)完全導(dǎo)通了，而此時(shí)下管是完全關(guān)閉的，這可以從上圖中的波形中看出來(lái)。

也就是說(shuō)，上尖峰振蕩的時(shí)候，上管完全導(dǎo)通，下管完全關(guān)閉，不是在開(kāi)關(guān)開(kāi)始切換，半導(dǎo)體的時(shí)間段。

上管完全導(dǎo)通說(shuō)明什么呢？

盡管上管有寄生電容，但是此時(shí)上管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻只有幾毫歐，所以這個(gè)寄生電容也被短路了。

如果沒(méi)有串聯(lián)的寄生電感存在，那么就相當(dāng)于是輸入電源直接通過(guò)幾毫歐的電阻接到了SW管腳，而輸入電源電壓可以認(rèn)為是基本不變的。

所以沒(méi)有電感的話，SW處不可能產(chǎn)生高達(dá)8V的尖峰振蕩。

只有中間存在寄生電感，才會(huì)因?yàn)殡娏髯兓浅？?，足以在電感上面產(chǎn)生8V的電壓。

那具體過(guò)程是怎么樣呢？

在上管導(dǎo)通之前，功率電感從下管的體二極管續(xù)流，下管的寄生電容C2電壓為0。

在上管導(dǎo)通之后，其導(dǎo)通電阻只有幾毫歐，因此C1相當(dāng)于被短路。下管完全斷開(kāi)，但是上面有寄生電容C2。

我們看SW節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在分析的是很小的一段時(shí)間，所以功率電感此時(shí)可以看作恒流，電流方向流向負(fù)載。

可能有人會(huì)認(rèn)為功率電感也有寄生電容參數(shù)，能走高頻電流，所以不能看作恒流源。關(guān)于這一點(diǎn)，其實(shí)我也懷疑過(guò)，這也是我要更新模型的原因。

不過(guò)查看功率電感的電流波形，在振蕩時(shí)間段，確實(shí)是基本不變的。

另外我們知道，振蕩頻率是百兆量級(jí)的，而我們查看這個(gè)功率電感的阻抗曲線，其自諧振頻率就在100Mhz左右，此時(shí)阻抗最大，阻抗達(dá)到了上千歐姆，所以它是無(wú)法通過(guò)高頻的電流的。

我們繼續(xù)。

我們知道，SW節(jié)點(diǎn)處穩(wěn)定之后基本等于電源電壓。

在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之后，SW從0V電壓開(kāi)始上升，那么C2在被充電，電源需要通過(guò)L1提供功率電感L3的續(xù)流以及對(duì)C2的充電。

也就是說(shuō)：L1的電流=功率電感L3的電流+C2的充電電流

隨著SW節(jié)點(diǎn)的電壓升高，一直到SW電壓和Vin一樣，這時(shí)候電壓為什么不停止上升呢，直接達(dá)到穩(wěn)態(tài)呢？

這是因?yàn)?strong>L1的電流=功率電感L3的電流+C2的充電電流，也就是說(shuō)在SW電壓達(dá)到Vin之前，L1的電流>功率電感電流。

在SW電壓達(dá)到Vin時(shí)，如果電壓不再上升，那么意味著C2不再被充電，即流過(guò)C2的電流為0，那么L1的電流=功率電感電流。

而事實(shí)是L1的電流>功率電感電流。

所以在SW達(dá)到Vin電壓之后，SW電壓繼續(xù)上升，會(huì)大于Vin，此時(shí)電感L1兩端的電壓反向，電流開(kāi)始減小。

隨著SW電壓上升，那么C2繼續(xù)被充電。

當(dāng)L1的電流減小到和功率電感一樣的時(shí)候。

因?yàn)?strong>L1的電流=功率電感L3的電流+C2的充電電流。那么意味著C2的充電電流為0，就不能通過(guò)L1接著對(duì)C2進(jìn)行充電了。

此時(shí)SW電壓達(dá)到最高，但它也不能保持住，為啥呢？

因?yàn)榇藭r(shí)SW的電壓大于Vin，電感L1的電流要繼續(xù)減小。而功率電感L3的電流不變，所以功率電感必須從C2抽取電流，這意味著C2開(kāi)始放電。

C2開(kāi)始放電后，SW電壓開(kāi)始降低，然后SW的電壓降低到Vin，此時(shí)L1的電流達(dá)到最小。再之后C2繼續(xù)放電（因?yàn)長(zhǎng)1電流小，不足以提供功率電感的續(xù)流），SW電壓繼續(xù)降低，L1兩端電壓反向，L1的電流開(kāi)始增大，直到L1電流大小達(dá)到功率電感的電流。

此時(shí)C2停止放電，SW電壓達(dá)到最低，然后C2開(kāi)始被充電，SW電壓開(kāi)始升高，如此循環(huán)往復(fù)，SW處電壓看起來(lái)就是振蕩了。

當(dāng)然整個(gè)過(guò)程中因?yàn)橛须娮璺至?，所以振蕩幅值是越?lái)越小的，本質(zhì)就是LCR阻尼振蕩。

簡(jiǎn)易的等效電路如下：

濾波電容的寄生電感，電阻，還有回路中的走線電感，電阻，都是處于振蕩回路。

上管到輸入濾波電容之間的電感量對(duì)上升沿尖峰的大小起了決定性的作用，因?yàn)榧夥宓拇笮』揪偷扔贚1的兩端電壓（忽略Ron兩端的電壓）。如果沒(méi)有L1的存在，振蕩雖然還存在，但是SW處的電壓基本是不變的，就越等于Vin。

很明顯，如果寄生電感L1比較大，那么產(chǎn)生的尖峰電壓肯定是越大的。

那負(fù)載電流大小與振蕩尖峰的大小有關(guān)系嗎？

關(guān)系是有的，負(fù)載電流越大，那么意味著功率電感電流越大，在SW從0上升到Vin電壓時(shí)，寄生電感L1得到的電流也越大，L1獲得的用于振蕩的能量也是越大的。用于振蕩的能量越大，那么振蕩尖峰自然也就越高。

也就是說(shuō)負(fù)載電流越大，參與振蕩的能量越多，那么產(chǎn)生的尖峰也是越高的。

同樣的，開(kāi)關(guān)速度越快，寄生電感電流上升的速度也越快，在SW從0上升到Vin電壓時(shí)，寄生電感L1得到的電流也越大，參與振蕩的能量也越多，所以尖峰也越高。

以上就是上尖峰的分析過(guò)程如果從文字描述的過(guò)程看，相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，下尖峰也就不分析了，疲了。。。。

我們來(lái)看點(diǎn)輕松的，直接看實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

如何看寄生電感的影響有多大呢？

前面我們不是將Lg，Ld，Ls三個(gè)參數(shù)改成接近于0的值，重新構(gòu)建模型，尖峰就消失了么？

我們繼續(xù)使用該模型，然后手動(dòng)在電路上面串聯(lián)電感，然后修改不同的電感值，看看尖峰的大小。

1、只在上管串聯(lián)0.5nH電感，下管沒(méi)有串聯(lián)電感，負(fù)載為0.5Ω，電壓為3.3V，那么負(fù)載電流為6.6A。

可以看到此時(shí)上尖峰最高為4V，而下尖峰是沒(méi)有的（負(fù)的電平為死區(qū)時(shí)間的0.7V體二極管壓降）

這說(shuō)明上尖峰的大小是由上管的寄生電感決定的，下尖峰的大小是由下管的寄生電感決定的。

2、將上管串聯(lián)0.5nH電感改為0.8nH

可以看到上尖峰最高為8V，比原來(lái)4V高了不少，這說(shuō)明電感越大，尖峰越大

3、我們順便還可以改變一下負(fù)載，看一下電流對(duì)尖峰的影響。

保持上管串聯(lián)0.8nH，負(fù)載電阻減小一倍，即負(fù)載電流增加1倍，為13.2A。

可以看到，上尖峰達(dá)到了19V，增大了很多。這說(shuō)明了負(fù)載電流越大，尖峰越大。

這跟前面分析是一致的，負(fù)載電流越大，上下管切換的時(shí)候，寄生電感獲得的參與振蕩的能量越高，尖峰也越大。

4、我們?nèi)サ羯瞎艿拇?lián)電感，下管串聯(lián)0.8nH，負(fù)載電流還是13.2A

電路圖如下圖：

仿真的SW波形如下圖：

可以看到，沒(méi)有上尖峰，下尖峰大概有10.5V，這說(shuō)明了下尖峰的大小是由下管的寄生電感決定的。

5、我們給上管和下管都加上0.8nH的電感，負(fù)載電流還是為13.2A

電路圖如下：

仿真的SW波形如下圖：

這時(shí)，可以看到，上下尖峰同時(shí)存在。

上尖峰是14V左右，下尖峰是10V左右。

這里又存在一個(gè)問(wèn)題了。。。

為什么電感都是0.8nH，下尖峰的值更小？

我同時(shí)查看Vgs與SW波形，發(fā)現(xiàn)，上尖峰振蕩發(fā)生在上管導(dǎo)通，下管不導(dǎo)通的時(shí)間段

而下尖峰發(fā)生在死區(qū)時(shí)間，上下管子都不導(dǎo)通

死區(qū)時(shí)間，意味著功率電感的續(xù)流是通過(guò)下管的體二極管，我們知道體二極管有壓降，會(huì)損失能量。

所以說(shuō)下尖峰比上尖峰多了一個(gè)體二極管的損失能量，所以尖峰更小。

寄生電感相同時(shí)，那么下管尖峰一定比上管小嗎？

我們接著看

6、上管和下管都加0.8nH電感，負(fù)載電阻增大到0.5Ω，負(fù)載電流減小一半，為6.6A

可以看到，電流改小之后，上下尖峰都減小了，這也與前面的分析一致。

不過(guò)現(xiàn)在上下尖峰都是7V左右，二者差不多，并沒(méi)有像前面說(shuō)的下尖峰更小，這又是為什么呢？

我們?cè)俅蜷_(kāi)功率電感電流和Vgs的波形

上升沿尖峰時(shí)，功率電感電流是最小的，功率電感續(xù)流需要走上管，也就是說(shuō)最終上管的0.8nH所需要的達(dá)到的電流較小，這會(huì)導(dǎo)致尖峰比較小。

而下尖峰時(shí)，功率電感電流是最大的，功率電感續(xù)流需要走下管，也就是說(shuō)最終下管的0.8nH所需要的達(dá)到的電流較大。這會(huì)導(dǎo)致尖峰比較大。

所以，上下尖峰的大小誰(shuí)大誰(shuí)小，視情況而定。

我們極端一點(diǎn)，如果這個(gè)buck工作在斷續(xù)模式，那么意味著上管導(dǎo)通時(shí)，功率電感電流是0，也就是說(shuō)功率電感需要通過(guò)上管續(xù)的電流為0，那豈不是上尖峰應(yīng)該消失呢？

我們來(lái)看一下。

7、將負(fù)載電阻改為1Ω，負(fù)載電流為3A，buck進(jìn)入斷續(xù)模式，我們來(lái)看看上尖峰是否為0

SW波形如下：

可以看到，上升沿尖峰并沒(méi)有消失，好像與前面的分析不符啊，什么情況呢？

我們看一下上管0.8nH的電感電流，功率電感電流在上升沿時(shí)的情況。

可以看到，在上升沿時(shí)，功率電感的電流確實(shí)為0，但是上升尖峰還是存在，因?yàn)?.8nH的電感是有電流存在的。

那這是為什么呢？

這是因?yàn)榈腗OS管的DS的兩端有寄生電容Coss，在上升沿之前，下管導(dǎo)通，Coss的電壓為0V，而導(dǎo)通之后，最終Coss的電壓是為12V的，這期間就構(gòu)成了LC的振蕩電路。

除了以上這些，尖峰的大小還與哪些因素有關(guān)系呢？

很容易想到的就是MOS管的開(kāi)關(guān)速度，這個(gè)我們可以在柵極加電阻，來(lái)增加導(dǎo)通時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間增加，在開(kāi)關(guān)管切換的時(shí)候，

8、開(kāi)關(guān)速度對(duì)尖峰大小的影響

在上下管串聯(lián)0.8nh電感，負(fù)載電流為13.2A，MOS管柵極沒(méi)有串聯(lián)電阻時(shí)。

MOS導(dǎo)通時(shí)間大概是7ns左右，上尖峰高度為14V

我們?cè)谏瞎軚艠O添加10歐姆電阻，電路如下

運(yùn)行，Vgs的電壓與SW波形如下圖。

可以看到，上MOS管柵極加了10歐姆電阻之后，從截止到導(dǎo)通的時(shí)間大概是13ns，比原來(lái)7ns時(shí)間更長(zhǎng)，另外，SW的尖峰幅度也從14V降低了到9V

總的來(lái)說(shuō)，BUCK上下尖峰的產(chǎn)生，與線路中的電感是密不可分的，電感越大，尖峰也就會(huì)越大。如果上下管沒(méi)有電感的存在，是產(chǎn)生了尖峰的。

除此之外，還與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通速度也有很大的關(guān)系，開(kāi)通越快，產(chǎn)生的振鈴尖峰也越高。

這個(gè)我估計(jì)有人就說(shuō)了，你廢了半天牛勁，整出一堆沒(méi)用的。

我們一般用的BUCK芯片都是集成的，內(nèi)部集成了MOS管，我們?cè)诰€路上面也不會(huì)額外加電感，有什么用呢？

實(shí)際電路中的電感是如何存在的？

前面做的一系列實(shí)驗(yàn)，那個(gè)0.5nH/0.8nH電感，可以看作是線路中的寄生電感。

實(shí)際電路很復(fù)雜，芯片內(nèi)部引線電感，PCB走線電感，濾波電容的等效ESL等等。

當(dāng)然，芯片內(nèi)部我們沒(méi)法改變，我們能改變的就是輸入濾波電容的位置，芯片好好接地。通過(guò)優(yōu)化PCB Layout降低走線電感量。

可能有人就說(shuō)了，走線電感，聽(tīng)著這么玄乎，真的有這么大的影響嗎？

確實(shí)是真的。

我上面仿真電路放的電感最大也才0.8nH，可以看到，引起的尖峰已經(jīng)很大了。

而0.8nH的電感量什么概念呢？到底大不大？

如圖所以，1盎司銅厚，線寬50mil，走線長(zhǎng)度10mm的電感量是6.52nH?？赡芪覀冚斎霝V波電容會(huì)放得很近，但是一般距離也有個(gè)2mm左右吧，這樣走線電感也差不多1nH。

所以呢，在研究振蕩尖峰這個(gè)問(wèn)題時(shí)，走線電感是不能忽略的。

而事實(shí)確實(shí)也是如此，我們用示波器測(cè)量實(shí)際電路的時(shí)候，都是會(huì)量到這個(gè)振蕩尖峰的，只不過(guò)有大有小而已。

在設(shè)計(jì)中，選定了BUCK芯片之后，我們能做的其實(shí)不多。

就是盡可能的將輸入濾波電容放得離芯片更近，巴不得直接將輸入濾波電容跨接在芯片的輸入管腳和地管腳上面，這樣輸入環(huán)路最小。

這一點(diǎn)也應(yīng)該是PCB layout里面最重要的一點(diǎn)吧。

有的DCDC芯片的管腳分布并不好，PCB layout時(shí)可能需要將輸入濾波電容放到PCB板背面去，這個(gè)時(shí)候就需要特別注意了，過(guò)孔一定要盡可能多打幾個(gè)。

為啥要多打過(guò)孔呢？

自然是因?yàn)檫^(guò)孔的寄生電感也是不能忽略的。

從上圖可以知道，10/20mil的過(guò)孔的寄生電感達(dá)到了1nH，這電感量也是不小的。

所以我們?cè)赑CB layout的時(shí)候，如果是電容放置在背面，一定要多打些過(guò)孔，因?yàn)殡姼胁⒙?lián)，總電感量是減小的。

多打過(guò)孔并不僅僅是考慮過(guò)流能力

在過(guò)流能力夠的情況下，如果一個(gè)老工程師要求你打幾個(gè)孔，或者把孔徑加大?；蛟S你認(rèn)為是在為難你，也許是別人站的高度更高。

小結(jié)

文章有點(diǎn)長(zhǎng)，做了大量的仿真與分析，主要結(jié)論如下：

1、死區(qū)時(shí)間是同步buck中必然存在的，如果用示波器測(cè)到在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，有個(gè)負(fù)壓的臺(tái)階，請(qǐng)不要驚慌，那是正?，F(xiàn)象

2、寄生電感是BUCK上下沿振蕩尖峰存在的必要條件。在做電路設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意減小寄生電感。

3、開(kāi)關(guān)速度越快，寄生電感越大，那么振蕩尖峰也會(huì)越大。

4、振蕩尖峰與PCB Layout的關(guān)系非常大。

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