3 根本原因分析

圖 2-3 中所示的電壓尖峰是輸出電容器的 ESR（等效串聯(lián)電阻）和 ESL（等效串聯(lián)電感）導(dǎo)致的。圖 3-1 展示了 0805 封裝陶瓷電容器的阻抗隨頻率變化的情況。A 點是 ESL 和電容器的諧振頻率。

電容器的阻抗等于其 ESR，大概為 3.5 mΩ。在頻率超過 10 MHz 后，電容器的阻抗會以線性方式增加。這是 ESL 的行為。根據(jù) B 點和 C 點的阻抗，ESL預(yù)計為 0.27nH。

ESR 上的電壓與流過電容器的電流成比例。一個陶瓷電容器僅具有幾毫歐的電阻，而這里通常會并聯(lián)多個陶瓷電容器。因此，這個由 ESR 導(dǎo)致的電壓紋波很小，可以忽略不計。

ESL 上的電壓與其 di/dt 成比例，會很大。因為升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率總會傾向于盡可能大，以便減小解決方案尺寸。di/dt 也將隨著開關(guān)頻率而增加，以減少 IC 上的功率損耗。

考慮到 PCB 布線和 IC 封裝的 ESL 和寄生電感，升壓轉(zhuǎn)換器功率級的原理圖如圖 3-2 中所示，其中 L_PAR1 是引腳排列寄生電感和 PCB 寄生電感的總和，而 L_PAR2 是 GND 引腳的寄生電感。

當(dāng) Q₁ 關(guān)斷且 SW 節(jié)點電壓大于 V_OUT 時，電感器電流開始從 Q₁ 流向 Q₂。電流轉(zhuǎn)換期間的等效電路如圖 3-3 所示，其中：

• C_Q1 表示 Q₁ 的寄生電容。Q₁ 的關(guān)斷時間可以忽略。
• I_L1 表示電感，因為電感電流在較短的轉(zhuǎn)換期間內(nèi)幾乎保持恒定。
• V_COUT 表示輸出電容器理想電容部分的電壓。該電壓在此轉(zhuǎn)換期間內(nèi)幾乎保持恒定。

圖 3-3 可以進(jìn)一步簡化為具有初始電感電流 I_L1 的 LC 電路。電感值是電路中的所有寄生電感之和。電容為 C_Q1。因此，ESL 的電壓尖峰可以通過Equation2 得出。電壓尖峰與電感電流成比例。

振蕩頻率可以通過Equation3 得出。

當(dāng) Q₁ 導(dǎo)通時，電感電流首先從 Q₂ 流向 Q₁，然后電壓 Q₁ 快速降至零。此期間的簡化版原理圖如圖 10 所示，其中 C_Q2 表示 Q₂ 在關(guān)斷時的寄生電容。

ESL 處的最大電壓尖峰可以通過Equation4 得出。該電路還可簡化為 LC 電路。V_ESL 電壓電平與升壓輸出電壓成比例，而振蕩頻率與Equation3 中的相同，因為 C_Q2 與 C_Q1 類似。

以 TPS61022EVM 為例，C_Q1 和 C_Q2 約為 0.4nF。L_PAR1 接近 0.3 nH；L_PAR2 約為 0.05nH；ESL 約為 0.09nF，因為這里存在三個并聯(lián)的電容器。因此，LC 振蕩頻率高達(dá) 300 MHz。

當(dāng) VIN=3.6V、VOUT=5V 且 IOUT=3A 時，I_L1 約為 4.4A。Q₁ 導(dǎo)通和關(guān)斷條件下的 V_ESL 尖峰都約為 0.75V。不過，圖 2-3 中的實際電壓尖峰會小于該計算結(jié)果，尤其是在 Q₁ 導(dǎo)通條件下。導(dǎo)致該差異出現(xiàn)的主要因素是 Q₁ 的導(dǎo)通/關(guān)斷時間。Q₁ 的導(dǎo)通/關(guān)斷時間為 5 ns。這會顯著影響 300 MHz LC 振鈴導(dǎo)致的電壓尖峰。如果考慮導(dǎo)通/關(guān)斷時間，那么很難通過公式來計算電壓尖峰。更好的方法是使用 PSPICE-FOR-TI 或其他工具進(jìn)行仿真。