本文的關鍵要點
・在升壓型DC-DC轉換器中，高速變化的脈沖狀電流會流入輸出，從而引發振鈴并產生高頻噪聲。
・低邊開關關斷時振鈴的能量源來自高邊開關的導通延遲和輸出環路的電感使開關節點的電壓上升至高于輸出電壓后的電位差。
・低邊開關關斷時的振鈴是由低邊開關的COSS和輸出環路的電感分量引起的LC諧振造成的。
・低邊開關導通時振鈴的能量源來自高邊開關的反向恢復電流和對高邊開關電容的充電電流。
・低邊開關導通時的振鈴是由高邊開關的電容分量和輸出環路的電感分量引起的LC諧振造成的。
本文介紹第一個主題“升壓型DC-DC轉換器中高頻噪聲的產生原因”。
關于升壓電源的輸出中產生遠高于開關頻率的高頻噪聲的原因，將從“升壓型DC-DC轉換器的工作”、“輸出電容器和布線中的電感分量”、“低邊開關的輸出容量和振鈴”和“低邊開關導通時的工作”幾個角度進行說明。
升壓型DC-DC轉換器的工作
在升壓型DC-DC轉換器中，當低邊開關導通時，會使電感電流增加并積蓄能量；當低邊開關關斷時，積蓄的能量會被釋放，從而使電感產生反電動勢引起的高電壓，最終形成高于輸入電壓的輸出電壓。在開關工作期間，電壓和電流的高速變化會產生高頻振動，該振動會成為高頻噪聲并通過輸出線路被傳播和輻射出去，從而造成故障。
首先來了解一下低邊開關從導通轉為關斷過程中的詳細工作。在低邊開關FET完全導通的狀態下，漏極和源極之間的電阻為RDSON的阻值，漏極電壓為“RDSON×電感電流”。從此時開始，當FET的柵極驅動轉為關斷時，漏極和源極之間的電阻值上升，漏極電壓也開始上升。
當低邊開關關斷時，漏極和源極之間會產生容性分量COSS，部分電感電流會被用來對COSS充電。由于流經漏極和源極間電阻分量的電流導致的導通損耗，以及充入COSS的電荷量，使部分能量損失，與此同時漏極電壓繼續上升。
當開關節點的電壓VSW變得高于輸出電壓時，高邊開關整流二極管被正向偏置。即使正向偏置電壓高于整流二極管的VF，由于整流二極管存在導通延遲，因此電流也不會開始流動，漏極電壓上升至高于“輸出電壓+VF”的電壓。經過數ns的導通延遲后，整流二極管變為導通狀態，電感電流開始向輸出電容器充電。
輸出電容器和布線中的電感分量
由于整流二極管的導通延遲，已上升至高于輸出電壓電位的VSW被施加給輸出電容器，因電位差很大，輸出電容器開始被快速充電。在此之前，輸出電容器一直通過放電向負載提供電流，但從此時開始將通過電感電流進行充電。從放電到充電，流經電容器的電流以納秒級的速度改變為相反的反向。
電容器的電感分量ESL為數nH～數十nH，但根據由充放電電流的變化值ΔI（以A為單位）和變化速度ΔT（以ns為單位）組成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT，在ΔT的時間內會發生反電動勢ΔV，輸出電容器中也會產生高電壓。因此，輸出電容器會在整流二極管剛剛導通后立即產生尖峰狀的高電壓。
低邊開關的輸出容量和振鈴
COSS被充電，達到輸出電容器中也會產生的尖峰狀高電壓的程度，然后COSS中存儲的能量被釋放并流入輸出電容器，并以磁能的形式存儲在電感分量ESL中。
當COSS的電壓通過放電下降到VOUT的電位時，電位差消失，ESL中的磁能停止增加，利用ESL此前積蓄的磁能，進入恒流狀態，繼續從COSS中吸取電荷，COSS的電壓降至VOUT以下。
隨著COSS電壓的降低，ESL的磁能減少，當磁能達到0時，COSS停止放電。此時COSS的電位低于VOUT，電流從輸出電容反向流向低邊開關的COSS，并對COSS充電，同時ESL中開始積蓄與先前方向相反的磁能。
此后，能量在低邊開關的COSS和輸出電容器ESL之間的反復移動，并產生因電壓和電流的往復而導致的振蕩狀態。嚴格來講，電感分量是由ESL與流過該充放電電流的環路的電感分量之和L值以及低邊開關的COSS引起的LC諧振，諧振頻率FZ為 FZ=1/2π√(L×COSS)。
電感分量總計為數nH，COSS的容量為數十～數百pF，因此該諧振頻率通常在數十～數百MHz的范圍內。開關節點和輸出電容器處產生的振鈴會成為高頻噪聲，該噪聲會通過電源輸出線傳播并造成負載電路誤動作等故障。
低邊開關導通時的工作
在低邊開關剛要導通前，“輸出電壓＋VF”的電壓會被施加給低邊開關的漏極，整流二極管（即高邊開關）中流過電感電流。從這里開始，當低邊開關向導通狀態轉變時，流向輸出的電感器電流會從高邊開關流向低邊開關。
VSW電壓開始下降至GND電位，整流二極管（高邊開關）變為反向偏置狀態。由于在此之前流過二極管的電流使二極管的結點處存在自由電子和空穴，因此即使二極管處于反向偏置狀態也不會立即變為截止狀態，在很短的時間內有反向電流流過。該電流稱為“反向恢復電流”，該電流使輸出環路中流過電流高速變化的反向電流。
當反向恢復電流結束時，二極管因反向偏壓狀態而變為截止狀態，通過PN結的耗盡層，成為電容量較小的電容器。當高邊開關采用FET同步整流方式時，FET具有寄生二極管，因此存在“耗盡層+源極和漏極間的物理結構+柵極電容”形成的電容COSS。充電電流會隨著反向恢復電流流向這些電容。由高邊開關的電容和輸出環路的電感分量組成的LC諧振電路中，會產生將反向流動的電流作為能量源的高頻噪聲。 |
