【经验】如何通过相位节点测量技术减少存储在回路杂散电感中的寄生能量？

时间： 2021-10-31 来源：Silanna Semiconductor

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在快速开关转换器中，电压瞬变 (dv/dt) 和电流瞬变 (di/dt) 的高转换率会因环路寄生而导致高传导和辐射EMI。这些电磁辐射必须在符合产品法规的限制范围内，因此，设计工程师的重要目标之一是优化电源环路以最大限度地减少寄生效应。功率回路电感包括输入电容器的串联电感、PCB 走线和功率 MOSFET 的封装电感（漏极、源极电感）。相位节点的波形特性，例如振铃、过冲和地弹，是存储在环路中的寄生能量的结果。本文中，SILANNA SEMICONDUCTOR将介绍如何通过相位节点测量技术减少存储在回路杂散电感中的寄生能量。

在如图1所示的DC/DC转换器中，相位节点会经历电压过冲和振铃，尤其在关断 HSFET (M1)和导通LSFET(M2)之间的开关瞬变期间。振铃的幅度在很大程度上取决于高端MOSFET 的开关速度和环路中的杂散电感。环路中的交流电阻会逐渐抑制振铃，通过准确捕获相位节点波形，可以预估谐振处的环路寄生阻尼因子。

图1 DC/DC转换器示意图

测量相位节点波形的方法

环路中的杂散电感可以很容易地估计相位节点波形是否被准确测量。为了确保在捕获的波形中准确地看到设备上的实际应力，我们应将探头尖端尽可能靠近设备放置。

图2 用Tektronix IsoVu探头观察相位节点波形

IsoVu 探头

Tektronix IsoVuTM探头(如图3所示）被认为是同类探头中最好的探头之一，因为它具有从直流到100 MHz的120dB 的高 CMRR 和在1 GHz的80dB抑制。因此从IsoVu探头测量的波形被用作参考，从而找到最佳的相位节点测量技术。在波形中观察到的峰值电压为19.88V，我们将把这个电压作为我们比较的基准电压。

图3 Tek IsoVu 差分探头

使用3英寸接地回路线进行单端测量

在单端测量中，无源探头尖端放置在相位节点引脚和3英寸导线接地尖端，位于电路板上的接地测试点。测得的相位节点引脚如图 5 所示。波形中观察到的峰值为 21.67 V，比使用IsoVu探头观察到的实际振铃高1.79 V，如图 4 所示。

图4 用单端测量和 3 英寸组环线观察到的相位节点波形

图5 带 3 英寸组环线的无源探头

SMD测试点测量

SMD测试点设置由两个测试点组成，如图7所示：一个用于放置探针尖端的SMD测试点和一个提供接地连接的通孔测试点。由于接地回路的减少，这种安排减少了相位节点波形中的大量噪声。该设置足够灵活，可以适应多种不同制造商的示波器探头。

图6 相位节点波形观察SMD测试

图7 带SMD测试点的无源探头以及用于短接地回路的测试点

图6所示的波形是从测试点测量中捕获的，在波形中观察到的峰值为19.78 V，如图6所示，非常接近使用 IsoVu 探头观察到的电压。

Pig tail

Pig tail法是另一种精确测量相位节点波形的方法,该设置使用总线进行接地连接，该总线焊接到最靠近感兴趣节点的接地点，如图 9 所示。使用此方法观察到的峰值为19.98 V，如图10所示，接近IsoVu探针记录的值。

图8 相位节点波形观察SMD测试点

图9 带pig tail接地的无源探头

结论：

由收集到的数据推断，由于耦合噪声，带有用于接地测量的标准3英寸导线的探头来测量相位节点波形是不正确的。从 SMD 测试点和Pig tail法获得的数据与使用IsoVu探针观察到的数据类似，如图10所示。从这个波形中，我们可以通过阻尼电路中的电阻来估计环路寄生，并优化我们的电路板布局使得环路寄生达到最小。

图10 采用Pig tail法和 IsoVu 探针测量的相位节点

如前所述，我们的目标是减少存储在回路杂散电感中的寄生能量，这是通过降低功率回路中的电感将谐振推到更高频率来实现的。此外，由于趋肤效应导致交流电阻增加，因此在较高频率下进行谐振将更快地抑制振铃振荡。

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