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[参考译文] TPS54561-Q1：开关过冲和高频开关噪声

admin
Guru**** 1468350 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS54561-Q1, TPS54561
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/830894/tps54561-q1-switch-overshoot-and-high-frequency-switching-noise

器件型号：TPS54561-Q1
主题中讨论的其他器件： TPS54561

TPS54561-Q1、输入22.4V、输出5.1V。 负载最小小于10mA。 设计负载为4A。 高侧开关具有非常显著的振铃、这会导致输入电源轨上产生~3Vpp 噪声、而输出上产生~800mV 振荡。 在图2中、您可以看到过冲大约为5伏(峰值与高电平)。 布局和原理图如下所示。 我认为我需要修复布局、但我不确定如何使环路面积更小。 建议的布局如上所示。 我知道我稍微偏离了一些、但我的电感器也比布局示例中所示的大得多。 我将一些组件放在底部的问题是吗？

很高兴听到建议、谢谢。

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    您好、Nick、

    SW 节点电压振铃的关键环路面积为输入电容->高侧 FET ->续流二极管->输入电容。 减小此环路面积并在功率级下方放置一个 GND 平面对于最大限度地减小电源环路寄生电感至关重要。 此外、由于这是一个有噪声的节点、因此应将 SW 节点的铜面积保持在最小。

    不过，我建议查看这里的补偿值--为  高频噪声衰减设置极点的 C29 (6.8nF)不应高于 为穿越频率之前的相位超前设置补偿器零点的 C28 (1.8nF)。

    此致、

    Tim

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    我猜我不应该盲目相信自动生成的 webench 电路。 在达到负载响应之前、我仍然需要解决空载时的开关振铃问题。

    高侧环路显示为绿色。 以灰色显示的续流环。 颜色环路在原理图上映射以供参考。  续流二极管和输出电容器位于底层。 我想知道这是否是问题的一部分。

    如果您有机会、接地平面返回电流将遵循电源组件下方的布局模式。 但是、我使用过孔构建电路的方式可能是不可能的。  如果我向右移动输出电容器、并在其接地焊盘中放置过孔、我认为这会减小环路面积。

    这有道理吗？

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    您好、Nick、

    空载时的 SW 节点振铃是预期行为--这是当电感电流达到零时与 SW 节点电容发生谐振的电感器。

    请注意 、只有一个包含输入电容器、MOSFET 和二极管的关键环路。 这些是承载高频电流的组件。 在此处查看更多详细信息：

    http://www.ti.com/lit/an/slyt682/slyt682.pdf

    我建议通过将电容从 COMP 降低到 GND 来固定补偿(极点频率现在太低、导致相位滞后过多)。 请参阅 TPS54561-Q1数据表的第8.2.2.11节。

    此致、

    Tim

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    上面的示波器图#2是什么--这是 SW 电压吗？ 此外、您能否提供输出纹波的测量结果。

    请注意、由于转换器以 DCM 模式运行、因此在空载或轻载时、纹波会稍高一些。

    此致、

    Tim

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    感谢您的参与。 我必须在下一个电路板版本中正确执行此操作

    是的、我将纠正不正确的补偿电容。 好主意。 但我必须首先解决非常严重的高频噪声问题。 信号布线如下。 开关节点为黄色5V/div、输入功率为红色1V/div。 续流电流停止时的开关节点振铃正常。 电源环路电感的5V 过冲是不好的。 我的客户不喜欢整个系统中弥漫的2-3Vpp 120MHz 噪声(请参阅红色)。  

    我必须使用电路板转速降低电路电感、但我不确定要做的是正确的事情、因为我不确定哪个环路会导致问题。 我的理论是、HSS 电路电感与续流二极管电容谐振。 D6 (FSV20100V 肖特基)二极管在20V 时具有500pF 的反向偏置结电容。 1/(2*pi*sqrt (LC))= 118MHz、L = 3.6nH。 这很小、但我的电源开关环路也是如此！  

    您能评论一下我在下面提出的布局更改吗？

    • 将输出电容器直接移动到电感器的输出焊盘下方(如果振荡是电感器环路的一部分、则有帮助)
    • 将过孔拼接放置在输出电容器的 GND 焊盘中、以便返回能够在需要位于平面的位置流动 (如果振荡是电感器环路的一部分、则会有所帮助)
    • 减小开关节点的尺寸、或使其成为一个未填充的多项以减小电容。 (如果振荡位于电源开关环路中、则有帮助)
    • 以更小的电容更改为不同的二极管(如果振荡在电源环路中、则有帮助)
    • 将输入电容器置于 TPS54561的正下方、靠近续流二极管 (如果振荡在电源环路中、则有帮助)
    • 是否有更好或更多的变化或我缺少的其他变化？

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    Nick、

    布局并不是那么糟糕、一些前沿开关电压过冲通常是不可避免的。 DCM 中的低频振铃是与开关节点有效电容谐振的电感器。 但是、我认为您关心的是当 FET 导通时、电源环路寄生电感与开关节点电容发生环状、即 SW 节点电压的上升/前沿。

    前沿电压过冲和振铃(以及高压摆率、上升 SW 电压)可与电感器等效寄生电容(EPC)上的输出耦合。 我建议查找具有高自谐振频率(SRF)的电感器、该电感器可有效提供低 EPC、从而减少耦合到输出端的噪声。 原理图中显示的 Wurth 电感器具有23MHz 的 SRF。 选择尺寸更小的电感器以实现更高的 SRF、并将虚线端子(通常指定绕组内部)连接到 SW 节点、以便通过连接到 VOUT 的绕组外部屏蔽高 dv/dt。

    此外、请尝试在输出端使用低 ESL 电容器、例如10nF/0603。 最后、必须 使用正确的示波器探头测量技术直接测量整个过程中的输出纹波、即去除探头 GND 引线的"探头和套管"技术等、以避免高频噪声拾取。

    对于布局、您还可以专注于减小电感器焊盘周围的覆铜区-这应该是最小面积、因为它是一个高 dv/dt 节点并充当辐射表面。

    此致、

    Tim

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    TI__Guru**** 1468350 points
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    这个问题与开关节点寄生电容绝对相关。 之前的二极管的电容为1500pF！ 新的 PDS5100-13散射二极管在输入电压为25V 时的电容为70pF。 这会使过冲略有下降、并将输入总线上的噪声从2-3Vpp 降低到低于500mVpp。

    第二种解决方案是添加一个与自举电容器串联的10欧姆电阻器、以降低栅极速度。 这增加了~8ns 的上升时间、并将过冲从4V 减少到1V。

    输入总线上的噪声已经从2-3Vpp 下降到~200mVpp。

    Web-Bench 未在6.8nF 高频补偿电容器中进行设计。 该值应为6.8pF。 我的错误是在错误的库零件中拖动。