ZHCABA2 February   2021 TPS55288 , TPS61021A , TPS61022 , TPS61023 , TPS61088 , TPS61089 , TPS61178 , TPS61230A , TPS61235P , TPS61288 , TPS61378-Q1

 

  1.   摘要
  2.   商标
  3. 1引言
  4. 2工作台测试观察结果
  5. 3根本原因分析
  6. 4简单的解决方案
  7. 5总结

根本原因分析

图 2-3 中所示的电压尖峰是输出电容器的 ESR(等效串联电阻)和 ESL(等效串联电感)导致的。图 3-1 展示了 0805 封装陶瓷电容器的阻抗随频率变化的情况。A 点是 ESL 和电容器的谐振频率。

电容器的阻抗等于其 ESR,大概为 3.5 mΩ。在频率超过 10 MHz 后,电容器的阻抗会以线性方式增加。这是 ESL 的行为。根据 B 点和 C 点的阻抗,ESL预计为 0.27nH。

图 3-1 陶瓷电容器的特性

ESR 上的电压与流过电容器的电流成比例。一个陶瓷电容器仅具有几毫欧的电阻,而这里通常会并联多个陶瓷电容器。因此,这个由 ESR 导致的电压纹波很小,可以忽略不计。

ESL 上的电压与其 di/dt 成比例,会很大。因为升压转换器的开关频率总会倾向于尽可能大,以便减小解决方案尺寸。di/dt 也将随着开关频率而增加,以减少 IC 上的功率损耗。

考虑到 PCB 布线和 IC 封装的 ESL 和寄生电感,升压转换器功率级的原理图如图 3-2 中所示,其中 LPAR1 是引脚排列寄生电感和 PCB 寄生电感的总和,而 LPAR2 是 GND 引脚的寄生电感。

图 3-2 具有寄生电感的升压转换器功率级

当 Q1 关断且 SW 节点电压大于 VOUT 时,电感器电流开始从 Q1 流向 Q2。电流转换期间的等效电路如图 3-3 所示,其中:

  • CQ1 表示 Q1 的寄生电容。Q1 的关断时间可以忽略。
  • IL1 表示电感,因为电感电流在较短的转换期间内几乎保持恒定。
  • VCOUT 表示输出电容器理想电容部分的电压。该电压在此转换期间内几乎保持恒定。

图 3-3 低侧 MOSFET 关断时的简化模型

图 3-3 可以进一步简化为具有初始电感电流 IL1 的 LC 电路。电感值是电路中的所有寄生电感之和。电容为 CQ1。因此,ESL 的电压尖峰可以通过Equation2 得出。电压尖峰与电感电流成比例。

Equation2. GUID-20210208-CA0I-DMSQ-HPNX-LVMNVC50F5B1-low.gif

振荡频率可以通过Equation3 得出。

Equation3. GUID-20210208-CA0I-TRJF-T200-PXFSDZ4WQKSQ-low.gif

当 Q1 导通时,电感电流首先从 Q2 流向 Q1,然后电压 Q1 快速降至零。此期间的简化版原理图如图 10 所示,其中 CQ2 表示 Q2 在关断时的寄生电容。

图 3-4 低侧 MOSFET 导通时的简化模型

ESL 处的最大电压尖峰可以通过Equation4 得出。该电路还可简化为 LC 电路。VESL 电压电平与升压输出电压成比例,而振荡频率与Equation3 中的相同,因为 CQ2 与 CQ1 类似。

Equation4. GUID-20210208-CA0I-W8XN-JFMR-6NZNC7SVVGDZ-low.gif

以 TPS61022EVM 为例,CQ1 和 CQ2 约为 0.4nF。LPAR1 接近 0.3 nH;LPAR2 约为 0.05nH;ESL 约为 0.09nF,因为这里存在三个并联的电容器。因此,LC 振荡频率高达 300 MHz。

当 VIN=3.6V、VOUT=5V 且 IOUT=3A 时,IL1 约为 4.4A。Q1 导通和关断条件下的 VESL 尖峰都约为 0.75V。不过,图 2-3 中的实际电压尖峰会小于该计算结果,尤其是在 Q1 导通条件下。导致该差异出现的主要因素是 Q1 的导通/关断时间。Q1 的导通/关断时间为 5 ns。这会显著影响 300 MHz LC 振铃导致的电压尖峰。如果考虑导通/关断时间,那么很难通过公式来计算电压尖峰。更好的方法是使用 PSPICE-FOR-TI 或其他工具进行仿真。