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大家在測試電源電路時，有時會碰到輸出電壓異常、輸出紋波過大等情況，此時通常會排查 SW 信號來判斷電路工作是否正常，異常狀況下 SW 波形會呈現(xiàn)大小波現(xiàn)象。
今天我們就來一起看下，SW 出現(xiàn)大小波的常見原因有哪些？應該排查什么？
01 SW 大小波現(xiàn)象簡介
SW 代表 BUCK 電路中的開關節(jié)點。在標準工作條件下，SW 點的波形表現(xiàn)為固定頻率的方波。
圖1：正常工況下的SW波形
然而，在某些異常情況下，SW 波形會呈現(xiàn)大小波狀態(tài)。通常伴隨著輸出電壓不穩(wěn)定、效率降低、芯片異常發(fā)熱，以及噪聲紋波增大等問題。
因此，在開關電源設計中，通常需要采取措施來控制 SW 節(jié)點上的電壓波動，以確保電源的穩(wěn)定性和可靠性。
圖2：SW大小波
02 SW 大小波現(xiàn)象的原因分析
電路中 SW 出現(xiàn)大小波可能有以下幾種原因：
本文將從原理圖設計和 PCB 設計兩個方面，分析 SW 出現(xiàn)大小波的原因，并介紹對應的解決辦法。
在原理圖設計方面，我們從控制模式展開分析。
在 PCB 設計方面，從對 SW 影響最大的輸出電壓采樣走線和 FB 走線展開分析。
03 原理圖設計
在控制模式方面，目前常用的有峰值電流模式控制和 COT 控制。
峰值電流模式下的 SW 異常狀態(tài)我們通過 MPQ4572 舉例分析：
01 峰值電流控制模式
圖3：MPQ4572 參考設計
MPQ4572 是一款支持 4.5V 到 60V 的寬輸入電壓范圍，持續(xù)輸出電流 2A，采用峰值電流控制模式的降壓芯片。
測試該芯片，設置開關頻率為 400Khz，當 Vin=18V，Vout=12V，帶載 1A 時，SW 出現(xiàn)了大小波，為周期性不規(guī)則波形，變化周期為 200khz，剛好是開關頻率的一半，這種現(xiàn)象可能是由次諧波振蕩引起的。
圖4：SW 大小波
測試當前的環(huán)路波形，根據 bode 圖可以看到在 200khz 時，增益曲線出現(xiàn)尖峰，相位曲線翻轉，可以判斷是發(fā)生了次諧波振蕩。當輸入電壓升高到 25V 以上時，SW 波形恢復正常。
圖5：環(huán)路測試
計算兩種輸入下的占空比分別為 ：
Vin=18V,Vout=12V:D=66.7%>50%,
Vin=25V,Vout=12V:D=48%<50%,
已知在峰值電流模式下，當占空比大于 50% 時，系統(tǒng)可能會變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)次諧波振蕩，SW 呈現(xiàn)大小波。
為了抑制這種振蕩，通常會在控制回路中注入斜坡補償信號。但 MPQ4572 芯片的內部已經設計有斜坡補償機制，為什么還是會出現(xiàn)次諧波振蕩的問題呢？
圖6：斜坡補償
在注入斜坡信號后，擾動量的公式為：
為了保證電路工作穩(wěn)定，要讓擾動量收斂。注入的斜坡斜率 m3 要大于 0.5 倍 m2 才能使該式收斂。如果 m3 小于 0.5 倍 m2，即使注入了斜坡信號，也無法解決次諧波振蕩問題。
芯片內部注入的斜坡信號斜率通常是未知的固定值，也就是說 m3 是固定的，那么我們可以通過增加電感感量減小 m2 來保證 m3＞0.5 倍 m2 成立。當電感感量由 15uh 修改為 33uh 后，SW 波形恢復正常。
圖7：正常 SW 波形
測試此時的 bode 圖，200khz 時的增益曲線尖峰消失，環(huán)路穩(wěn)定。
圖8：33uh 環(huán)路測試
02 COT 控制模式
COT 是通過比較 Vref 與 FB 管腳的電壓來實現(xiàn)恒壓控制，理想的 FB 電壓與電感電流同相位。
FB 采樣的輸出電壓紋波信號由電容紋波與 ESR 的紋波組成，電容紋波相較電感電流紋波有 90 度的延遲，當輸出紋波主要由輸出電容決定時，電路相位滯后，F(xiàn)B 信號非線性，會導致次諧波振蕩，SW 出現(xiàn)大小波。
在這種模式下，我們有三種方法可以用來抑制次諧波：
1 使用 ESR 足夠大的電容
ESR 越大，總的電路相位延遲越小，紋波接近線性，可以有效抑制次諧波振蕩。
圖9：ESR 紋波占主導
2 注入斜坡補償
當為了效率及輸出紋波幅度考慮，需要選擇 ESR 比較小的電容時，我們可以選擇注入斜坡補償。通過外部的 RC 補償給 FB 管腳注入斜坡信號，由 Rslope 引入電感紋波，Cslope 提高相位，整體相位提升，可以抑制次諧波。
圖10：斜坡補償
具體參數(shù)如何計算可參考：MPS官網-設計-應用說明-通用-Designing a Stable COT Converter for a Desired Load and Line Regulation 的設計案例 。
3 設置 Ramp
Ramp 的相位與電感紋波電流相位一致，部分芯片的 Ramp 可以通過 PMBUS 配置，Ramp 越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定，Ramp 越小，動態(tài)響應越快，實際應用中需要平衡穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。
圖11：設置 Ramp
04 PCB 設計
在 PCB 設計上，規(guī)避 SW 振蕩的要點包括：
1. 輸出電壓采樣走線應盡量短、直，避免干擾。
2. FB 管腳比較敏感，應遠離噪聲源，如 SW 點、電感等。
3. FB 分壓電阻要靠近管腳放置并確保 FB 走線短直。
05 總結
峰值電流模式控制下，確保斜坡注入信號的有效性至關重要。
在 COT 控制模式下，當輸出紋波由 ESR 主導時，電路穩(wěn)定；由電容紋波主導時，可能出現(xiàn)次諧波振蕩。此時，我們可以通過選用 ESR 較大的電容、增加外部 RC 補償或內部配置 RAMP 來解決問題。
最后，良好的 PCB 設計也是確保電源穩(wěn)定性的關鍵。
