标签: ClassD功放电路

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 【分页导航】 第1页： 振铃现象及危害 第2页： 开关电源和Class D功放电路中的谐振电路 第3页： 利用Snubber抑制振铃 《电子技术设计》2016年4月刊版权所有，谢绝转载。 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(C gs 、C gd 、C ds )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R DSQN 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 【分页导航】 第1页： 振铃现象及危害 第2页： 开关电源和Class D功放电路中的谐振电路 第3页： 利用Snubber抑制振铃 《电子技术设计》2016年4月刊版权所有，谢绝转载。 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R snubber 和一个电容C snubber 串联构成。其中电阻R snubber 用来调节LC谐振电路的阻尼系数。电容C snubber 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C snubber 的存在，PWM信号会一直加在电阻R snubber 两端，电阻R snubber 会消耗过多的能量。 下面给R snubber 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，R eqv 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C snubber 的选择：C snubber 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R snubber 的阻值。对PWM开关信号，又要呈现出足够高的容抗。图14是C snubber 采用560pF的电容，R snubber 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R snubber 上，而能量消耗的多少又取决于电容C snubber 的容量，跟电阻R snubber 的值无关。这是因为PWM信号给电容C snubber 充电时，电路给snubber电路提供的能量为C·V 2 ，而电容只得到了其中的一半(0.5·C·V 2 )，另一半被R snubber 消耗掉。改变R snubber 的电阻值，只是改变了电容充电的速度和R snubber 消耗能量的速度，而不改变充电一次R snubber 所消耗的总能量。C snubber 放电时，电容储存的能量被R snubber 消耗。R snubber 在一个PWM开关周期的能量消耗为C·V 2 。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。 【分页导航】 第1页： 振铃现象及危害 第2页： 开关电源和Class D功放电路中的谐振电路 第3页： 利用Snubber抑制振铃 《电子技术设计》2016年4月刊版权所有，谢绝转载。