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抑制Class D功率放大器電路振鈴現象

2016年04月29日  | Frank Pan/Maxim Integrated CPG部門資深應用工程師

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開關電源和Class D功率放大器,因為電路工作在開關狀態,大大降低了電路的功率損耗,在當今的電子產品中得到了廣泛的應用。由於寄生電感和寄生電容的存在,電路的PWM開關波形在跳變時,常常伴隨著振鈴現象。這些振鈴常常會帶來令人煩惱的EMC問題。本文對振鈴進行探討,並採用snubber電路對PWM開關訊號上的振鈴進行抑制。


振鈴現象

在開關電源和Class D功率放大器電路中,振鈴大多是由電路的寄生電感和寄生電容引起的。寄生電感和寄生電容構成LC諧振電路。 LC諧振電路常常用兩個參數來描述其諧振特性:振盪頻率(f0),品質因數(Q值)。諧振頻率由電感量和電容量決定:


公式
公式

品質因數可以定義為諧振電路在一個週期內儲存能量與消耗能量之比。並聯諧振電路的Q值為:


公式
公式

其中RP是並聯諧振電路的等效並聯電阻。


串聯諧振電路的Q值為:


公式
公式

其中RS為串聯諧振電路的等效串聯電阻。


在描述LC電路的階躍跳變時,常用阻尼係數來描述電路特性。阻尼係數跟品質因數的關係是:


公式
公式

公式
公式

在臨界阻尼(=1)時,階躍訊號能在最短時間內跳變到終值,而不伴隨振鈴。在欠阻尼(小於1 )時,階躍訊號在跳變時會伴隨振鈴。


在過阻尼(大於1 )時,階躍訊號跳變時不伴隨振鈴,但穩定到終值需要花費比較長的時間。在圖1中,藍,紅,綠三條曲線分別為欠阻尼(小於1 ),臨界阻尼(=1 ),過阻尼(大於1 )時,對應的階躍波形。


圖1 不同阻尼係數對應的階躍訊號(從左至右分別為欠阻尼,臨界阻尼,過阻尼時對應的階躍訊號)
圖1 不同阻尼係數對應的階躍訊號(從左至右分別為欠阻尼,臨界阻尼,過阻尼時對應的階躍訊號)

我們容易得到並聯LC諧振電路的阻尼係數:


公式
公式

在我們不改變電路的寄生電感和寄生電容值時,調整等效並聯電阻可以改變諧振電路的阻尼係數,從而控制電路的振鈴。


階躍訊號因振鈴引起的過衝跟阻尼係數有對應的關係:


公式
公式

OS(%)定義為過衝量的幅度跟訊號幅度的比值,以百分比表示。表1列出了不同阻尼係數對應的過衝OS(%)


圖2 過衝圖示
圖2 過衝圖示

表1 不同阻尼係數對應的過衝<i>OS</i>(%)
表1 不同阻尼係數對應的過衝OS(%)

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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