在实际应用DCDC Buck电路时,我们经常会遇到很多问题,大部分的问题都和电路设计原理、器件选型、PCB布局有关。下面我们举例几个典型问题,并从原理上给出其产生的原因和其解决方案
问题1:电感发热、啸叫
电感发热原因:电感饱和,电感的饱和电流低于电路实际峰值电流,电感发生饱和。
具体解释:这里我们简单复习下电感的饱和电流,电感饱和具体是什么意思呢?电感饱和是指当通过电感的电流增加到一定程度后,磁芯的磁导率急剧下降,导致电感量下降的现象。这时候电感将会无法再有效地储存更多的磁能,相当于没有磁芯的空心线圈,电感将会发热。同时我们也可以这样理解,电感感量下降,即电感的阻抗是jwL,感量降低就是阻抗为0,相当于短路,电感将会发热。
电感啸叫的原因:电感的啸叫一般是负载较低或者负载较高。
首先我们人耳的听觉频率范围一般是20—20KHz,而DCDC的开关频率一般在100k—1MHz之间,那么很明显我们能听到滋滋响,那肯定是DCDC频率降低到我们人耳的听觉频率范围20—20KHz。在轻载或者负载突变时,DCDC电路会从连续导通模式CCM切换至DCM,DCM又分为降频DCM和定频DCM,由于我们在实际使用中大部分都是以降频DCM为主,因此当电感电流归零后,控制器可能需要等待一段时间才会启动下一个开关周期,这会导致平均开关频率下降,若频率进入20Hz~20kHz范围,从而引发啸叫。当负载电流过大时,过载保护机制触发,Buck电路在过载时可能触发保护模式(如打嗝模式、限流模式),导致mos可能周期性地关闭和重启开关动作,此时开关频率可能降低至几百Hz甚至更低,进入人耳可听范围。
解决方案:使用公式计算电感值:L=Vout*(Vin-Vout)/Vin*ΔIL*f其中ΔIL通常取负载电流的20%~40%。选择饱和电流高于最大负载电流1.5倍的电感。
问题2:自举电容(boot电容)选择不对,电路无输出 ,或者MOS管较热易烧毁。(大容易烧电源芯片,小容易烧MOS管)
电路输出不正常原因(之一):boot电容选择过大,过小。
具体解释:
自举电容过小:电荷不足,驱动电压下降,MOSFET导通不完全,损耗增加,发热,效率降低,可能损坏器件。电容过小导致电容储存的电荷不足,会导致高端侧的MOSFET栅极驱动电压下降,无法完全导通,使其进入可变电阻区(如下图,随着VGS增加,Rdson逐渐减小,直到达到饱和状态后趋于稳定),因此会增加导通损耗和发热,甚至损坏MOS,开关损耗增加。另外当电容较低会降低开关速度,延长开关过渡时间,导致开关损耗上升,整体效率降低。
自举电容过大:充电时间如果不足,可能导致电容电压无法达到所需值,从而影响高端MOSFET的驱动 。另外如果电容太大,充电电流过高,很容易让上面的那个二极管烧掉。
解决方案:参考datasheet,注意bom不要贴错。大部分自举电容容值为10nF-1uF。